bitcoin PoW原理及区块创建过程

PoW

为了在点对点的基础上实现一个分布式时间戳服务器,我们需要使用PoW(Proof of Work)系统来达成共识。PoW过程就是寻找一个目标值的过程,当对该目标值使用SHA-256之类Hash算法进行Hash运算时,要求得到的哈希值是以一定数目的0位开始的数。随着要求0位数目的增加,PoW过程的工作量是指数级增长的。通过对目标值进行一次哈希运算就可以验证目标是是否符合要求。

在PoW的实现中,我们在block中引入一个Nounce变量,我们通过Nounce的不断增大,来找到一个特定的Nounce值,使得整个block的哈希值以特定数目的0位开始。一旦CPU通过运算满足了PoW的要求,该block就不可以再被更改了,除非我们对该block及其后面的block都重新进行PoW过程。

// 要求hash值以5个0位开始
// 假设hash值都是8bit
func PoW (Nounce uint32) {
for SHA256.Hash(prevHash | Nounce | Tx) > 0b00000111 {
Nounce++
}
}

一旦区块创建完成,该节点就会向全网广播该区块,收到该区块的节点验证区块内容,通过验证的话就将该区块添加到当前区块链的最末端,然后开始下一个区块的创建工作。

若要改动某个区块中的信息,则需要修改该区块的内容及其后续所有区块的prevHash,也就是说需要对该区块及后续区块再做一次PoW任务。

PoW还解决了用什么方式表示大多数的问题。如果是基于每个IP一票的原则来获取大多数,这种方式很容易通过一个节点分配多个IP的方式来作弊。而PoW实际上是基于每个CPU一票的原则,大多数决策就用最长的链来表示,最长的链意味着耗费了最多的算力来进行PoW。如果大多数的CPU算力都被诚实的节点所掌握,那么诚实的链就是增长的最快的那个。如果攻击者想要更改某个区块,那么需要修改这个区块及其后续所有区块的内容,也就是需要对该区块及其后的所有区块都再次进行PoW过程,这超过了诚实节点的工作量。随着某个区块后面的区块链不断增长,改动该区块的可能性也就越低。

硬件计算能力是不断提高的,而且参与到网络中的节点也是越来越多(即贡献的算力越来越多),为了达到平衡,PoW的难度会相应的提高,我们通过控制平均每小时产生区块的数量来实现这种平衡。当区块产生的速度过快时,就通过提高难度来降低其速度。

区块链网络是按照如下的步骤运作的:

    1. 生成新的交易并将交易广播给所有节点
    1. 每个节点都收集这些交易,并将其打包成区块。
    1. 每个节点都进行PoW过程,致力于找到满足要求的Nounce
    1. 当一个节点完成PoW过程时,就将该区块广播到全网。
    1. 只要区块中所有的交易都合法有效,节点就会接收该区块
    1. 节点如果接收区块,就会开始创建下一个区块,用已接收区块的Hash值作为新区块的prevHash,进行新的一轮PoW的过程。

节点总是认为最长的链是正确的链,并致力于在最长的链上进行扩展。如果两个节点同时完成PoW过程并广播了不一样的区块,有的节点收到其中一个,而有的节点先会收到另一个。这种情况下,首先收到的区块会被节点作为下一个区块添加到链上,同时也会保存后到的区块。当下一个区块来临时,就会知道哪一个区块是比较长的,然后切换到较长的区块链上。

新交易的广播不一定要到达每一个节点,只要到达足够多的节点,这些节点就会在一定时间内将交易打包到区块中。区块的广播也是允许丢包的,如果节点没有收到某一个区块,当下一个区块到来时,该节点发现新区块的prevHash不是目前的最后一个区块,就会去请求丢失的区块。

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