POW 工作量证明底层算法实现

POW 算法说明

比特币区块链通过竞争记账方式解决去中心化的账本一致性问题。竞争记账是过程，而不证明竞争结果。采用工作量证明（Proof of Work，PoW）的机制来实现竞争结果判定。

哈希结果要满足前n位均为0要求，需要多次进行哈希值的计算。一般来说，n值越大，需要完成的哈希计算量也越大。要寻找4个前导0的哈希值，预期大概要进行2^16尝试。

工作量证明的优缺点

优点：完全去中心化，节点自由进出；

缺点：目前已经吸引全球大部分的算力，其它再用Pow共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来保障自身的安全；挖矿造成大量的资源浪费；tps较小，不能满足大量交易的需求。

算法实现（Python）

  1 #!/usr/bin/env python3
  2 # -*- coding: utf-8 -*-
  3 """
  4  @desc:
  5  @author: xsmile
  6  @software: PyCharm  on 2020/6/14
  7 """
  8 import hashlib
  9 import time
 10 
 11 blocks = []
 12 
 13 
 14 class Block:
 15     """
 16     区块类
 17     """
 18     index = 0  # 全局记录区块总数
 19     Difficulty = 1
 20 
 21     def __init__(self, data, pre_hash, nonce):
 22         """
 23         初始化区块信息
 24         :param data: 区块携带数据
 25         :param pre_hash: 前一区块 hash 值
 26         :param nonce: 随机数
 27         :param difficulty: 挖矿难度
 28         """
 29         self.index = Block.index
 30         self.time_stamp = time.time()
 31         self.data = data
 32         self.pre_hash = pre_hash
 33         self.nonce = nonce
 34         self.hash_value = ''
 35         self.difficulty = Block.Difficulty
 36         Block.index += 1
 37 
 38 
 39 def block_hash(block):
 40     """
 41     生成区块成功验证后 hash 值
 42     :return: 区块 hash 值
 43     """
 44     block_info = str(block.index) + str(block.time_stamp) + str(block.data) + 
 45                  str(block.pre_hash) + str(block.nonce) + str(block.difficulty)
 46     block_hash = hashlib.sha3_256(block_info.encode('utf-8')).hexdigest()
 47 
 48     return block_hash
 49 
 50 
 51 def verify_hash(block):
 52     """
 53     验证区块 hash 是否符合难度要求
 54     :param block: 要被验证的区块
 55     :return: bool
 56     """
 57     pre_hash_difficult = '0' * block.difficulty
 58 
 59     return block.hash_value.startswith(pre_hash_difficult)
 60 
 61 
 62 def verify_block(new_block, last_block):
 63     verify_result = False
 64     if (new_block.index is last_block.index + 1) and (new_block.pre_hash is last_block.hash_value):
 65         verify_result = True
 66 
 67     return verify_result
 68 
 69 
 70 def create_block(last_block, data):
 71     """
 72     创建新区块
 73     :param last_block: 当前区块链上最后一个区块
 74     :param data: 区块数据
 75     :return: 挖矿成功的区块
 76     """
 77     new_block = Block(data=data, pre_hash=last_block.hash_value, nonce=0)
 78     while True:
 79         current_hash = block_hash(new_block)
 80         print('挖矿中.......当前 hash：', current_hash)
 81         new_block.hash_value = current_hash
 82         if verify_hash(new_block):
 83             if verify_block(new_block=new_block, last_block=last_block):
 84                 print('挖矿成功')
 85                 break
 86         new_block.nonce += 1
 87 
 88     return new_block
 89 
 90 
 91 def create_genesis_block():
 92     """
 93     创建创世区块
 94     :return: 返回创世区块
 95     """
 96     block = Block(data='', pre_hash='', nonce=0)
 97     block.hash_value = block_hash(block)
 98     return block
 99 
100 
101 def run():
102     """
103     代码执行
104     :return: None
105     """
106     genesis_block = create_genesis_block()
107     blocks.append(genesis_block)
108     new_block = create_block(last_block=blocks[-1], data='俊伟君')
109     blocks.append(new_block)
110     print('end')
111 
112 
113     pass
114 
115 
116 if __name__ == "__main__":
117     run()
118     pass

代码说明

主要用到 hashlib 库对区块进行 hash 运算得到 64 位 hash 值以及 time 库产生时间戳。

运用 Python 中的列表存储区块（建议实现链表方式）

代码运行结果

Connected to pydev debugger (build 192.5728.105)
挖矿中.......当前 hash： 41f48e701967a748eee9fdb48d09c7db4758df1890f9d6983b7fdda44fec9825
挖矿中.......当前 hash： 62b7dff450e1b028d875c94459194701df16cdde690ef2ebee740ae7012112a3
挖矿中.......当前 hash： 7dbb0e167cc36b40e81a0ea4ead2434ccca606f34b574f63343e578aa702e3bf
挖矿中.......当前 hash： b27693b2e92a6c7595175a3ebdfa04a5185c3d5fa5059d8e76c34c60ba7e50ec
挖矿中.......当前 hash： 339159298fc8956454cd0f57fa1410149acac3c68dd21319b10fd6824fa9331e
挖矿中.......当前 hash： cba34c177d3371f6f4eaee68ea1f145ee9b143f0b6006ed5f6ba2d5c2022b694
挖矿中.......当前 hash： f05ec6d5d5a59697b3dce25defd706fc9f4c72d31e33cf0f30803ef6b68f4a2d
挖矿中.......当前 hash： 9ca3acbca0cf80c664ee131fa4bdba41c5c649cffb8a14bafd488e85a469ed96
挖矿中.......当前 hash： cfb9cfa6365a7d8815b019008f477a288e006f1646a6eaf9db7f4751c10a9383
挖矿中.......当前 hash： 4aab3ab7959646d5068db581460a7bc92a8fddf4290e731c7857a78ffe446428
挖矿中.......当前 hash： 05a309e03f5c22b3f30b08d29c1ab4462e237e3ce27bdbc9b2efaf0a56402c03
挖矿成功

在挖矿难度设置为 1 的时候，运行多次的结果中得出，基本会在大概第7次 nounce 时得到结果。

产生的区块结构如下：

----------------------------------------声明----------------------------------------

参考内容：https://www.jianshu.com/p/6f9efb979a13

仅自己学习过程技术总结，如有哪里有误的地方，欢迎指正。

原创不易，如需转载，请注明出处及地址 https://www.cnblogs.com/xsmile/

----------------------------------------end----------------------------------------