bitcoin: 工作量证明

文章来自本人简书, 可以通过微博多多交流.

挖矿的时候需要经常听到一个词 工作量证明 , 即 Proof Of Work,简称 POW.

POW 是个什么鬼, 我们先抛开这个概念, 玩个游戏.

假如有很多人喜欢问我很八卦的问题, 但我只想答有限的几个, 那让谁答呢? 我出个游戏规则:

1 先把问题列出来, 重复的问题我不回答啊 你有异装癖么

2 做 hash 运算, 就做 sha256 吧

require 'Digest'
Digest::SHA256.hexdigest("你有异装癖么")

得到4f65c9ca420e5f191d9f2730c4f99c7fe8f2301a431bade918de9d38f7401a4e

3 计算 hash 值, 这个难度太低了, 身边的一堆程序猿都会算. 我希望 你的问题 加上一个自然数,合并成一个新的字符串,再做 hash 运算, 得到新的 hash 值, 使得新的 hahs 值前 4 个都是 0, 并且这个自然数是最小的, 那好,我就回答你的问题.

一言不合就撸码

require 'Digest'

10000.times do |n|
 issue = "你有异装癖么"
 val = issue + n.to_s
 
 ret = Digest::SHA256.hexdigest(val)

 if ret[0..3] == "0000" #判断 hash 值的前 4 位是 0 么
   puts val
   puts n
   puts ret
   break
 end

end

#你有异装癖么 3699
#3699
#00007ed47ec0280ca933ed5dc9396892fee27c9dbec9c07f95f0247169df1bee

得到 3699, Digest::SHA256.hexdigest("你有异装癖么 3699")的结果符合前 4 位是0. 你把问题 你有异装癖么 3699给我, 我通过验证, 就回答这个问题.

你有疑惑了, 为啥要从 [1,10000] 这个区间顺序计算呢? 不能随便从一个数字算么?

因为 hash 运算的结果是无序的, 而且不能进行逆运算, 顺序计算比较方便, 没有遗漏. 通过这个方式得到的自然数, 也是符合游戏规则的最小自然数, 因为是顺序计算的啊

嗯的, 在回到这个游戏, 大家都遵守这个规则, 我也在回答这个问题, 又过了一段儿时间, 需要回答的八卦问题还是太多了, 我吃不消了,囧.

我定个新规则, 其他的不变, hash 值前 5 位是0的, 我才回答. 然后继续运行, 到了我又吃不消的时候, 继续改, 前 6 位, 前 7 位, 前 8 位, 前 n 位是0.

如果你继续算下去, 你会发现, 算的时间会越来越长,我们可以说难度增加了. 有这样直观的感觉, 前几位是0的个数越多, 这个难度越大, 计算时间越长.

难度到底有多大, 也就是时间到底有多长呢? 我拿自己的 2014 年款的 mac pro 中款粗略算了下,语言是 ruby, 时间就是金钱, 这个时间还是比较可观的.

Digest::SHA256.hexdigest("shooter36")      #04b4ee0f1b56950f1f9880d076b7449c66705d5712a939a36a49d9973dd50ab3    2ms
Digest::SHA256.hexdigest("shooter578")     #002bae033279e48835e9a3c8b71a6835bf171a202b700a10ba4bd63710bfcb49    15ms
Digest::SHA256.hexdigest("shooter4434")    #00072b50cc7963a310962af33efcd5109cdfb6ac633ce6bb275ce243f3ec247b    406ms
Digest::SHA256.hexdigest("shooter35786")   #00002d8c31f6eb29d848cdf520b499cd9f729b1d4d037275d82935b7766eaa3e    4309ms
Digest::SHA256.hexdigest("shooter717095")  #00000178662b978d8d7cf930a1caceae70f097354b4fe6423eef2a45ccfb9ce7    82468ms
Digest::SHA256.hexdigest("shooter2038373") #0000001ef511d494ecdddcd2abfded0a34df87a9c76410452e01e0a2958bf0a5    272266ms

说了这么多, 这个游戏规则其实就是 POW. 用到 bitcoin 上,无非是要替换些东西, 八卦问题 => bitcoin 需要的数据, 替换 bitcoin 需要的难度. 理解这个思想很重要, 别的细节慢慢聊.

bitcoin 系统的难度有多大呢?

块高度477,360 的 hash 000000000000000000e8af89716e0ea8a2aa7c7b789935e98f0a32a4a319247f有 18 个0. Nonce 是十六进制的0x71eee8ca,即算了 1911482570 次, 可以试试用一般的笔记本计算 19 亿次 hash 需要多长时间.

POW 有什么特点呢?

1 运算不可逆, 就代表谁也不可能偷懒 2 每个值的 hash 都不一样, 意味着不同的问题都要算, 换个新问题, 就要重新算. 3 你算起来很费劲, 花费时间长 4 我验证起来很简单, 把结果 hash 一下, 符合规则的我就回答, 不符合的抛弃 5 这个规则实现还是比较简单的

结果就是遵守游戏规则的人很艰难的算出一个结果,会很珍惜,因为你付出了很多的计算资源跟时间, 你希望我能认可你的努力.

这个概念在 bitcoin 系统中很重要

参考:

https://www.bilibili.com/video/av12465079/ https://en.bitcoin.it/wiki/Proof_of_work