《鋒哥論道區塊鏈》之三區塊鏈基礎--共識機制POW

1POW(proof of work，工作量證明)機制
1.1POW的作用
2008年10月，中本聰（Satoshi Nakamoto）發表了論文《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》，在論文中設計了區塊鏈的POW的共識機制。那POW共識機制主要的作用是什麼？仔細分析比特幣的整體設計思路，使用非對稱秘鑰解決了電子貨幣的所有權問題，使用區塊時間戳解決了交易的存在性問題，用分散式賬本解決了剔除第三方機構後交易的驗證問題。最後就剩下雙重支付問題，在點對點的分散式系統中，要保障所有節點的資料一致性，就必須引入一種機制來保障。中本聰設計了POW共識機制，透過該機制消除雙重支付，保證所有節點資料的一致性。
1.2比特幣POW實現方式
比特幣採用雜湊演算法，邏輯上是對整個區塊進行雜湊運算，實際上是對區塊頭執行雜湊運算。也就是說，所謂的區塊的雜湊值，更確切的表述為區塊頭的雜湊值。區塊頭大小為80byte，包含六個欄位：version、timestamp、bits、nonce、 hashpreblock及hashmerkleroot。如此設計首先帶來的好處是方便雜湊運算，每次運算只需要80位元組的引數輸入，而不是整個區塊的資料，同時交易列表的任何變化又能體現在雜湊執行結果上。
比特幣採用SHA256雜湊運算，且每次都是連續進行兩次SHA256運算才能作為最終結果，前一次運算的結果作為後一次運算的輸入，即Double SHA256，一般簡稱SHA256D，比特幣合格區塊判斷依據如下：
SHA256D(Version,hashPreBlock,hashMerkleRoot,Timestamp,Bits,Nonce)<=MAXTARGET/Diff
比特幣工作量證明（POW）的達成就是礦工計算出來的區塊雜湊值必須小於目標值。比特幣工作量證明的過程，就是透過不停的變換區塊頭（即嘗試不同的nouce值）作為輸入進行SHA256雜湊運算，找出一個特定格式雜湊值的過程（即要求有一定數量的前導0）。而要求的前導0的個數越多，代表難度越大。我們可以把比特幣礦工解這道工作量證明迷題的步驟大致歸納如下：
（1）生成用於發行新比特幣獎勵的Coinbase 交易，並與當前時間戳的其他所有準備打包進區塊的交易組成交易列表，透過Merkle Tree演算法生成Merkle Root Hash；
（2）把Merkle Root Hash及其他相關五個欄位組裝成區塊頭，其中nonce置零，將區塊頭的80位元組資料（Block Header）作為工作量證明的輸入；
（3）不停的變更區塊頭中的隨機數即nonce的數值（nonce初始置零，每次增1），並對每次變更後的的區塊頭做雙重SHA256運算（即SHA256(SHA256(Block_Header))），將每次結果值與當前網路的目標值做對比，如果小於目標值，則成功搜尋到合適的隨機數nonce並獲得該區塊的記賬權，工作量證明完成。
（4）如果在當前時間戳未成功，則更新時間戳，重複上述步驟，直到找到符合條件的nonce。
（5）在節點成功找到滿足條件的雜湊值之後，會馬上對全網進行廣播打包區塊。
（6）網路的其他節點收到廣播打包區塊，會立刻對區塊的雜湊值及交易資料的有效性進行驗證。如果驗證透過，則表明已經有節點成功解迷，自己就不再競爭當前區塊打包，而是選擇接受這個區塊，記錄到自己的賬本中，然後進行下一個區塊的競爭猜謎。