区块链系统:挖矿原理
在比特币的P2P网络中,有一类节点,它们时刻不停地进行计算,试图把新的交易打包成新的区块并附加到区块链上,这类节点就是矿工。因为每打包一个新的区块,打包该区块的矿工就可以获得一笔比特币作为奖励。所以,打包新区块就被称为挖矿。
比特币的挖矿原理就是一种工作量证明机制。工作量证明POW是英文Proof of Work的缩写。
在讨论POW之前,我们先思考一个问题:在一个新区块中,凭什么是小明得到50个币的奖励,而不是小红或者小军?
当小明成功地打包了一个区块后,除了用户的交易,小明会在第一笔交易记录里写上一笔“挖矿”奖励的交易,从而给自己的地址添加50个比特币。为什么比特币的P2P网络会承认小明打包的区块,并且认可小明得到的区块奖励呢?
因为比特币的挖矿使用了工作量证明机制,小明的区块被认可,是因为他在打包区块的时候,做了一定的工作,而P2P网络的其他节点可以验证小明的工作量。
工作量证明
什么是工作量证明?
工作量证明是指,证明自己做了一定的工作量。例如,在驾校学习了50个小时。而其他人可以简单地验证该工作量。例如,出示驾照,表示自己确实在驾校学习了一段时间:
比特币的工作量证明需要归结为计算机计算,也就是数学问题。如何构造一个数学问题来实现工作量证明?我们来看一个简单的例子。
假设某个学校的一个班里,只有一个女生叫小红,其他都是男生。每个男生都想约小红看电影,但是,能实现愿望的只能有一个男生。
到底选哪个男生呢?本着公平原则,小红需要考察每个男生的诚意,考察的方法是,出一道数学题,比如说解方程,谁第一个解出这个方程,谁就有资格陪小红看电影:
因为解高次方程没有固定的公式,需要进行大量的计算,才能算出正确的结果,这个计算过程就需要一定的工作量。假设小明率先计算出了结果x=2.5,小红可以简单地验证这个结果是否正确:
可以看出,解方程很困难,但是,验证结果却比较简单。所以,一个有效的工作量证明在于:计算过程非常复杂,需要消耗一定的时间,但是,验证过程相对简单,几乎可以瞬间完成。
现在出现了另一个问题:如果其他人偷看了小明的答案并且抢答了怎么办?
要解决这个问题也很容易,小红可以按照男生的编号,给不同的男生发送不同的方程,方程的第一项的系数就是编号。这样,每个人要解的方程都是不一样的。小明解出的x=2.5对于小军来说是无效的,因为小军的编号是3,用小明的结果验证小军的方程是无法通过验证的。
事实上如果某个方程被验证通过了,小红可以直接从方程的第一项系数得知是谁解出的方程。所以,窃取别人的工作量证明的结果是没有用的。
通过工作量证明,可以有效地验证每个人确实都必须花费一定时间做了计算。
在比特币网络中,矿工的挖矿也是一种工作量证明,但是,不能用解多项式方程来实现,因为解多项式方程对人来说很难计算,对计算机来说非常容易,可以在1秒钟以内完成。
要让计算机实现工作量证明,必须找到一种工作量算法,让计算机无法在短时间内算出来。这种算法就是哈希算法。
通过改变区块头部的一个nonce
字段的值,计算机可以计算出不同的区块哈希值:
直到计算出某个特定的哈希值的时候,计算结束。这个哈希和其他的哈希相比,它的特点是前面有好几个0:
hash256(block data, nonce=0) = 291656f37cdcf493c4bb7b926e46fee5c14f9b76aff28f9d00f5cca0e54f376f
hash256(block data, nonce=1) = f7b2c15c4de7f482edee9e8db7287a6c5def1c99354108ef33947f34d891ea8d
hash256(block data, nonce=2) = b6eebc5faa4c44d9f5232631f39ddf4211443d819208da110229b644d2a99e12
hash256(block data, nonce=3) = 00aeaaf01166a93a2217fe01021395b066dd3a81daffcd16626c308c644c5246
hash256(block data, nonce=4) = 26d33671119c9180594a91a2f1f0eb08bdd0b595e3724050acb68703dc99f9b5
hash256(block data, nonce=5) = 4e8a3dcab619a7ce5c68e8f4abdc49f98de1a71e58f0ce9a0d95e024cce7c81a
hash256(block data, nonce=6) = 185f634d50b17eba93b260a911ba6dbe9427b72f74f8248774930c0d8588c193
hash256(block data, nonce=7) = 09b19f3d32e3e5771bddc5f0e1ee3c1bac1ba4a85e7b2cc30833a120e41272ed
...
hash256(block data, nonce=124709132) = 00000000fba7277ef31c8ecd1f3fef071cf993485fe5eab08e4f7647f47be95c
比特币挖矿的工作量证明原理就是,不断尝试计算区块的哈希,直到计算出一个特定的哈希值,它比难度值要小。
比特币使用的SHA-256算法可以看作对随机输入产生随机输出,例如,我们对字符串
Hello
再加上一个数字计算两次SHA-256,根据数字的不同,得到的哈希是完全无规律的256位随机数:
hash256("Hello?") = ????????????????????????????????????????????????????????????????
大约计算16次,我们可以在得到的哈希中找到首位是0
的哈希值,因为首位是0出现的概率是1/16:
hash256("Hello1") = ffb7a43d629d363026b3309586233ab7ffc1054c4f56f43a92f0054870e7ddc9
hash256("Hello2") = e085bf19353eb3bd1021661a17cee97181b0b369d8e16c10ffb7b01287a77173
hash256("Hello3") = c5061965d37b8ed989529bf42eaf8a90c28fa00c3853c7eec586aa8b3922d404
hash256("Hello4") = 42c3104987afc18677179a4a1a984dbfc77e183b414bc6efb00c43b41b213537
hash256("Hello5") = 652dcd7b75d499bcdc61d0c4eda96012e3830557de01426da5b01e214b95cd7a
hash256("Hello6") = 4cc0fbe28abb820085f390d66880ece06297d74d13a6ddbbab3b664582a7a582
hash256("Hello7") = c3eef05b531b56e79ca38e5f46e6c04f21b0078212a1d8c3500aa38366d9786d
hash256("Hello8") = cf17d3f38036206cfce464cdcb44d9ccea3f005b7059cff1322c0dd8bf398830
hash256("Hello9") = 1f22981824c821d4e83246e71f207d0e49ad57755889874d43def42af693a077
hash256("Hello10") = 8a1e475d67cfbcea4bcf72d1eee65f15680515f65294c68b203725a9113fa6bf
hash256("Hello11") = 769987b3833f082e31476db0f645f60635fa774d2b92bf0bab00e0a539a2dede
hash256("Hello12") = c2acd1bb160b1d1e66d769a403e596b174ffab9a39aa7c44d1e670feaa67ab2d
hash256("Hello13") = dab8b9746f1c0bcf5750e0d878fc17940db446638a477070cf8dca8c3643618a
hash256("Hello14") = 51a575773fccbb5278929c08e788c1ce87e5f44ab356b8760776fd816357f6ff
hash256("Hello15") = 0442e1c38b810f5d3c022fc2820b1d7999149460b83dc680abdebc9c7bd65cae
如果我们要找出前两位是0
的哈希值,理论上需要计算256次,因为00
出现的概率是162\=256,实际计算44次:
hash256("Hello44") = 00e477f95283a544ffac7a8efc7decb887f5c073e0f3b43b3797b5dafabb49b5
如果我们要找出前3位是0
的哈希值,理论上需要计算163\=4096次,实际计算6591次:
hash256("Hello6591") = 0008a883dacb7094d6da1a6cefc6e7cbc13635d024ac15152c4eadba7af8d11c
如果我们要找出前4位是0
的哈希值,理论上需要计算164\=6万5千多次,实际计算6万7千多次:
hash256("Hello67859") = 00002e4af0b80d706ae749d22247d91d9b1c2e91547d888e5e7a91bcc0982b87
如果我们要找出前5位是0
的哈希值,理论上需要计算165\=104万次,实际计算158万次:
hash256("Hello1580969") = 00000ca640d95329f965bde016b866e75a3e29e1971cf55ffd1344cdb457930e
如果我们要找出前6位是0的哈希值,理论上需要计算166\=1677万次,实际计算1558万次:
hash256("Hello15583041") = 0000009becc5cf8c9e6ba81b1968575a1d15a93112d3bd67f4546f6172ef7e76
对于给定难度的SHA-256:假设我们用难度1表示必须算出首位1个
0
,难度2表示必须算出首位两个0
,难度N表示必须算出首位N个0
,那么,每增加一个难度,计算量将增加16倍。
对于比特币挖矿来说,就是先给定一个难度值,然后不断变换nonce
,计算Block Hash,直到找到一个比给定难度值低的Block Hash,就算成功挖矿。
我们用简化的方法来说明难度,例如,必须计算出连续17个0
开头的哈希值,矿工先确定Prev Hash,Merkle Hash,Timestamp,bits,然后,不断变化nonce
来计算哈希,直到找出连续17个0
开头的哈希值。我们可以大致推算一下,17个十六进制的0
相当于计算了1617次,大约需要计算2.9万亿亿次。
17个0 = 1617 = 295147905179352825856 = 2.9万亿亿次
实际的难度是根据bits
由一个公式计算出来,比特币协议要求计算出的区块的哈希值比难度值要小,这个区块才算有效:
Difficulty = 402937298
= 0x18 0455d2
= 0x0455d2 * 28 * (0x18 - 3)
= 106299667504289830835845558415962632664710558339861315584
= 0x00000000000000000455d2000000000000000000000000000000000000000000
注意,难度值越小,说明哈希值前面的0
越多,计算难度越大。
比特币网络的难度值是不断变化的,它的难度值保证大约每10分钟产生一个区块,而难度值在每2015个区块调整一次:如果区块平均生成时间小于10分钟,说明全网算力增加,难度值也会增加,如果区块平均生成时间大于10分钟,说明全网算力减少,难度值也会减少。因此,难度值随着全网算力的增减会动态调整。
比特币设计时本来打算每2016个区块调整一次难度,也就是两周一次,但是由于第一版代码的一个bug,实际调整周期是2015个区块。
根据比特币每个区块的难度值和产出时间,就可以推算出整个比特币网络的全网算力。
比特币网络的全网算力一直在迅速增加。目前,全网算力已经超过了100EH/每秒,也就是大约每秒钟计算1万亿亿次哈希:
所以比特币的工作量证明被通俗地称之为挖矿。在同一时间,所有矿工都在努力计算下一个区块的哈希。而挖矿难度取决于全网总算力的百分比。举个例子,假设小明拥有全网总算力的百分之一,那么他挖到下一个区块的可能性就是1%,或者说,每挖出100个区块,大约有1个就是小明挖的。
由于目前全网算力超过了100EH/s,而单机CPU算力不过几M,GPU算力也不过1G,所以,单机挖矿的成功率几乎等于0。比特币挖矿已经从早期的CPU、GPU发展到专用的ASIC芯片构建的矿池挖矿。
当某个矿工成功找到特定哈希的新区块后,他会立刻向全网广播该区块。其他矿工在收到新区块后,会对新区块进行验证,如果有效,就把它添加到区块链的尾部。同时说明,在本轮工作量证明的竞争中,这个矿工胜出,而其他矿工都失败了。失败的矿工会抛弃自己当前正在计算还没有算完的区块,转而开始计算下一个区块,进行下一轮工作量证明的竞争。
为什么区块可以安全广播?
因为Merkle Hash锁定了该区块的所有交易,而该区块的第一个coinbase交易输出地址是该矿工地址。每个矿工在挖矿时产生的区块数据都是不同的,所以无法窃取别人的工作量。
比特币总量被限制为约2100万个比特币,初始挖矿奖励为每个区块50个比特币,以后每4年减半。
共识算法
如果两个矿工在同一时间各自找到了有效区块,注意,这两个区块是不同的,因为coinbase交易不同,所以Merkle Hash不同,区块哈希也不同。但它们只要符合难度值,就都是有效的。这个时候,网络上的其他矿工应该接收哪个区块并添加到区块链的末尾呢?
答案是,都有可能。
通常,矿工接收先收到的有效区块,由于P2P网络广播的顺序是不确定的,不同的矿工先收到的区块是有可能的不同的。这个时候,我们说区块发生了分叉:
在分叉的情况下,
有的矿工在绿色的分叉上继续挖矿,有的矿工在蓝色的分叉上继续挖矿:
但是最终,总有一个分叉首先挖到后续区块,这个时候,由于比特币网络采用最长分叉的共识算法,绿色分叉胜出,蓝色分叉被废弃,整个网络上的所有矿工又会继续在最长的链上继续挖矿。
由于区块链虽然最终会保持数据一致,但是,一个交易可能被打包到一个后续被孤立的区块中。所以,要确认一个交易被永久记录到区块链中,需要对交易进行确认。如果后续的区块被追加到区块链上,实际上就会对原有的交易进行确认,因为链越长,修改的难度越大。一般来说,经过6个区块确认的交易几乎是不可能被修改的。
小结
比特币挖矿是一种带经济激励的工作量证明机制;
工作量证明保证了修改区块链需要极高的成本,从而使得区块链的不可篡改特性得到保护;
比特币的网络安全实际上就是依靠强大的算力保障的。
区块链系统:挖矿原理相关推荐
- gossip 区块链_源代码: 一个最小化的区块链系统
近期有个国内著名技术协会的约稿,正好向技术圈分享一下我对区块链系统的拙见.我发现一件有趣的事情,即使是有计算机背景,懂编程的同学,都也不怎么清楚区块链到底是怎么回事.今天这里,我打算用计算机语言和大家 ...
- 深度认识区块链---从底层原理到应用场景
区块链定义 区块链(Blockchain)是由节点参与的分布式系统,它的特点是不可更改,不可伪造,也可以将其理解为账簿系统(ledger).它是比特币的一个重要概念,完整比特币区块链的副本,记录了其代 ...
- 基于Java开发一套完整的区块链系统
一.区块链技术理论基础 1.基本概念 (1)区块链 从技术层面来看,区块链是由包含交易信息的区块按照时间顺序从后向前有序链接起来的数据结构. 从应用层面来说,区块链是一个分布式的共享账本和数据库,具有 ...
- 区块链入门与去中心化应用实战 之一 第3章 区块链技术核心原理实现
第3章 区块链技术核心原理实现 建立项目,确定区块结构 实现区块类结构-添加交易 实现创建区块 实现工作量证明 添加节点通信功能 交易接口实现 挖矿接口实现 实现注册节点 实现共识机制
- 区块链概念、原理、特点
01 区块链概念 区块链可以借由密码学,串接并保护内容的串联交易记录(又称区块).在区块链中,区块内容具有难以篡改的特性,每一个区块都包含了前一个区块的加密散列.相应时间戳记以及交易数据(通常用Has ...
- 分布式存储区块链系统:人类未来的数据基础设施?
通过提供分布式存储的区块链系统,数据制造者可以维护自己生产的数据,这是一个开始,更进一步,数据制造者可以通过不同的的方法和渠道来实现数据的收益,与此同时,我们也可以通过这样的方式从机器人手中分享数据. ...
- 【浅谈】区块链的工作原理
文章目录 前言 一.什么是区块链? 二.区块链是如何工作的? 1.数据块的组成 1.1数据(Data) 1.2 Hash值 1.3 前一个区块的Hash值 三.区块链的安全性 1. Hash值形成链式 ...
- 区块链“国家队”上新,天津重磅发布自主可控区块链系统“海河智链”
"十四五"规划纲要草案将"加快数字发展"作为独立篇章,区块链等技术与应用被列为七大数字经济重点产业.脱虚向实的区块链将成为中国新技术基础设施,因此全国多地在大力 ...
- 区块链技术已进入图书出版领域,并推出图书区块链系统
区块链技术已经发展到图书出版领域.这两个初创公司的电子书平台惊人地相似--总部位于蒙特利尔的Scenarex公司和总部位于直布罗陀拉脱维亚的Publica.他们正在实施的想法已经在图书出版界讨论了一段 ...
- 开源区块链系统 AElf 性能测试系列文章 - 01
开源区块链系统 AElf 性能测试系列文章 AElf vs ETH - 01 1.测试用例及代码库 2.机器配置 3.测试结果 3.1 EVM 3.2 AElf 3.2.1 LoopDivAdd10M ...
最新文章
- Java项目:前台+后台在线考试系统设计和实现(java+Springboot+ssm+mysql+jsp+maven)
- 我的emacs配置文件
- BugKuCTF WEB web5
- python自带gui_Python GUI开发工具中五种类型的相关介绍
- js判断对象还是数组
- 前端学习(2640):懂代码之登录页login.vue存入用户信息
- pb blob存储到image_【Filecoin相关】速懂 Filecoin 自认证存储设计
- gson 不忽略空_java – Gson序列化字段只有在不为null或不为空
- html中单选框重置,HTML表单和组件
- linux安装之后缺少命令,CentOS7安装成功后缺少命令的解决办法
- POJ3494Largest Submatrix of All 1’s[单调栈]
- 毛星云opencv7.1.3之sobel算子--失败算法
- Deepin 20.5 安装nvidia驱动
- Sepic电路的参数计算及仿真
- 管理每日日程提醒以及待办清单的备忘便签有哪些
- 微信小程序获取用户Ip地址
- 检查excel指定列中是否有错别字存在
- 详解IP地址与子网掩码
- 山东探植物园唯美规划 明年竣工成烟台“后花园”
- 缔造微软帝国的程序员保罗·艾伦因病离世