「大狗精读区块链白皮书」之比特币(五)—Proof-of-Work

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区块链技术与应用研究实验室   2020-1-5 17:52   1673   0
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本节讲的就是大名鼎鼎的 Proof-of-Work 机制啦。这一节初步回答了两个常见的关于比特币(区块链)机制的疑问——常说的「挖矿」挖的是什么?计算机硬件不断发展,系统如何保证挖矿的难度随之提升,以至十分钟左右产生一个区块?
注:本节的第3段讲的「共识问题」在第11节会有详细阐述,故先跳过。
1 译文为了在点对点的基础上完成一个分布式时间戳服务器,我们需要使用一个类似于类似于Adam Back 提出的哈希现金(Hashcash)的工作量证明系统,而不是以前的新闻组及论坛的机制。「工作量证明」牵涉到对一个值的搜寻。这个值用SHA-256等算法进行hash操作后,得到的hash值从一定数量的0字节开始。搜寻这个值的平均工作量随着0字节的增加呈现指数级增长,但是校验这个值只需要执行一次hash操作。
为了时间戳服务器网络的运行,我们实施了这样一种工作量证明机制——找到一个被称为nounce的随机数,找到后在区块中增加它。nounce能让区块的hash值以一连串所需数量的0字节开头。CPU不断运算,直到完成了一个「工作量证明」。那时,这个区块将不能被修改,除非重新完成这个工作量。当之后的区块链接到这个区块后,改变这个区块要做的工作还包括重做(redo)这个区块之后的所有区块。

这个工作量系统也解决了集体决策谁代表大多数的问题。如果大多数是基于一个IP一个投票权的话,这个系统能被分配了大量的IP地址的人破坏。工作量证明本质上来说是「一个CPU一个投票权」。大多数的决策被最长的链条所代表,也代表了最大的「工作量证明」的结果的投入。如果绝大多数CPU算力被诚实的节点所控制,那么最诚实的链会增长得最快,同时超过所有和它竞争的链。为了修改过去的区块,一个攻击者将不得不把块和之后所有的块里所有的工作量重做,然后追上并超过诚实节点的工作。我们将在之后证明,随着随后的区块被添加,一个较慢的攻击者赶上的成功概率将呈指数化递减。
为了补偿硬件运算速度的增长,及节点参与网络的程度的起伏,工作量证明的难度取决于一个移动的均数——每小时产生的平均区块数量。如果产生得太快,那么难度就会增加。
2 概念解析本节核心的概念就是Nounce这个神奇的值。
[h1]2.1 Nounce的概念[/h1]区块中一个32位(4字节)的字段,有了这个字段,区块的hash值会包含一连串的0。这个字段和其它字段是独立的,也即不会影响到其它的字段。
[h1]2.2 Nounce代表了算力[/h1]找到这个值需要消耗CPU进行大量的随机碰撞,因此这个值可以用来衡量算力。
[h1]2.3 控制「找到Nounce」的难度[/h1]为了确保固定10分钟生成一个区块,找到Nounce的难度会随着「每小时产生的平均区块数量」而增加。控制难度的方式是——控制区块生成的hash值的开头的0的数量。
3 图解区块链[h1]3.1 挖矿是什么?[/h1]↓有一座矿山,矿山由许多32位2进制数构成……

↓矿工前去挖矿,如果挖到的数字不能让「区块生成的哈希值」达到要求,就摒弃。

↓挖啊挖啊挖啊挖,挖到一个符合要求的数!

↓这个数就是所谓的Nounce啦


[h1]3.2 区块头是如何产生的?[/h1]↓包括Nounce在内的6个字段混合起来,“hash”一下,就得到了这个区块的区块头。


4 总结现在,我们对本篇开头提出的问题就有了清楚的答案啦。
(1)常说的「挖矿」挖的是什么?
挖的是一个被称为Nounce的值,这个值可以让「区块生成的哈希」以若干个0开头。找到这个值需要消耗CPU进行大量的随机碰撞,因此这个值可以用来衡量算力。
(2)计算机硬件不断发展,系统如何保证固定十分钟产生一个区块?
为了确保固定10分钟生成一个区块,找到Nounce的难度会随着「每小时产生的平均区块数量」而增加。控制难度的方式是——控制区块生成的hash值的开头的0的数量。
5 原文To implement a distributed timestamp server on a peer-to-peer basis, we will need to use a proofof-work system similar to Adam Back’s Hashcash, rather than newspaper or Usenet posts. The proof-of-work involves scanning for a value that when hashed, such as with SHA-256, the hash begins with a number of zero bits. The average work required is exponential in the number of zero bits required and can be verified by executing a single hash.
For our timestamp network, we implement the proof-of-work by incrementing a nonce in the block until a value is found that gives the block’s hash the required zero bits. Once the CPU effort has been expended to make it satisfy the proof-of-work, the block cannot be changed without redoing the work. As later blocks are chained after it, the work to change the block would include redoing all the blocks after it.



The proof-of-work also solves the problem of determining representation in majority decision making. If the majority were based on one-IP-address-one-vote, it could be subverted by anyone able to allocate many IPs. Proof-of-work is essentially one-CPU-one-vote. The majority decision is represented by the longest chain, which has the greatest proof-of-work effort invested in it. If a majority of CPU power is controlled by honest nodes, the honest chain will grow the fastest and outpace any competing chains. To modify a past block, an attacker would have to redo the proof-of-work of the block and all blocks after it and then catch up with and surpass the work of the honest nodes. We will show later that the probability of a slower attacker catching up diminishes exponentially as subsequent blocks are added.

To compensate for increasing hardware speed and varying interest in running nodes over time, the proof-of-work difficulty is determined by a moving average targeting an average number of blocks per hour. If they’re generated too fast, the difficulty increases.




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