深刻比特币、以太坊源码带你解读POW共识机制

概念

       全称为Proof Of Work，又叫工做量证实。POW是最先的共识机制。POW是指工做者经过必定的工做量，提供一个能被大多数验证者快速验证的答案，从而获得奖励的机制。

原理

讲原理以前，先给你们普及两个概念：难度值和nonce

难度值

       难度值就是矿工挖矿成功的难度成程度，那这个是怎么判断的呢？咱们先学习一个公式：
        target值 = 最大目标值 / 难度值
        其中最大目标值是固定的，出块以前，区块链网络设置了一个target值，target值越低，生成有效hash的集合就越小，生成有效hash就越困难。当前出块难度值，它决定了大概须要通过多少次哈希运算才能产生一个合法的区块。出块以前，区块链网络设置了一个target值，target值越低，生成有效hash的集合就越小，生成有效hash就越困难。

nonce

       nonce值是什么呢？它就是一个随机数，系统区块工做证实的参数。因为给定的一组数据只能生成一个hash，矿工如何确保他们生成的hash小于target？它们经过添加一个称为nonce的整数（number only used once ）来改变输入的数据，一旦找到一个有效的hash，它就被广播到网络中，同时区块被添加到区块链中，找到这个nonce整数的矿工就能得到奖励。

原理

       上面两个概念了解了以后呢，原理其实就很容易理解了。pow机制的原理其实就是：系统设定好挖矿难度（比特币2016个块以后从新计算，以太坊每次生成区块都从新计算），而后矿工开始工做出块，矿工每次出块都是nonce从1开始递增进行寻找可用的nonce值，直到找到符合规则、可用的hash为止，最早找到的矿工可得到挖矿奖励。

源码解读

理论咱们讲的差很少了，你们坐稳扶好，接下来直接上代码进行分析，一口气读完温馨感最佳。

比特币

static bool GenerateBlock(ChainstateManager& chainman, CBlock& block, uint64_t& max_tries, unsigned int& extra_nonce, uint256& block_hash)
{
	//  区块hash置空
    block_hash.SetNull();

    {
        LOCK(cs_main);
        CHECK_NONFATAL(std::addressof(::ChainActive()) == std::addressof(chainman.ActiveChain()));
        IncrementExtraNonce(&block, chainman.ActiveChain().Tip(), extra_nonce);
    }

    CChainParams chainparams(Params());

	// 获取可用nonce值
    while (max_tries > 0 && block.nNonce < std::numeric_limits<uint32_t>::max() && !CheckProofOfWork(block.GetHash(), block.nBits, chainparams.GetConsensus()) && !ShutdownRequested()) {
        ++block.nNonce;
        --max_tries;
    }
    if (max_tries == 0 || ShutdownRequested()) {
        return false;
    }
    if (block.nNonce == std::numeric_limits<uint32_t>::max()) {
        return true;
    }

    std::shared_ptr<const CBlock> shared_pblock = std::make_shared<const CBlock>(block);
    if (!chainman.ProcessNewBlock(chainparams, shared_pblock, true, nullptr)) {
        throw JSONRPCError(RPC_INTERNAL_ERROR, "ProcessNewBlock, block not accepted");
    }

    block_hash = block.GetHash();
    return true;
}

计算nonce值的那一段咱们单独进行分析

while (max_tries > 0 && block.nNonce < std::numeric_limits<uint32_t>::max() && !CheckProofOfWork(block.GetHash(), block.nBits, chainparams.GetConsensus()) && !ShutdownRequested()) {
    ++block.nNonce;
    --max_tries;
}

        1.首先判断是否达到最大重试次数MaxTries > 0 ，maxTries默认值DEFAULT_MAX_TRIES为1000000，达到最大重试次数未得到可用nonce，则该矿工这次挖矿失败。

if (max_tries == 0 || ShutdownRequested()) {
   return false;
}

        2.判断nNonce < std::numeric_limits<uint32_t>::max()，即控制nonce在一次挖矿做业中的随机次数不得超过uint32的最大值。若是nNonce值修改的次数已经超过了规定的次数尚未找到工做量证实的一个解，则废弃这个候选区块，从新回到前面建立一个新的候选区块。

if (block.nNonce == std::numeric_limits<uint32_t>::max()) {
    return true;
}

        3.执行CheckProofOfWork，源码以下

bool CheckProofOfWork(uint256 hash, unsigned int nBits, const Consensus::Params& params)
{
    bool fNegative;
    bool fOverflow;
    arith_uint256 bnTarget;

    bnTarget.SetCompact(nBits, &fNegative, &fOverflow);

    // Check range
    if (fNegative || bnTarget == 0 || fOverflow || bnTarget > UintToArith256(params.powLimit))
        return false;

    // Check proof of work matches claimed amount
    if (UintToArith256(hash) > bnTarget)
        return false;

    return true;
}

上面函数大概意思就是根据nBits难度值获取到的target，是在可用区间内的，而且计算得出的hash小于target值，则本次hash为可用hash值。
        4.未挖矿成功则一直循环计算，直到找到可用nonce值或上述一、二、3中某一步骤不符合while循环条件为止。

以太坊

待整理

优势

去中心化

将记帐权公平的分派到全部节点，记帐权是经过看节点的PoW， 谁挖矿最快， 谁就能拿到这个矿

安全

破解系统至少须要51%的节点，成本高，耗时长

去信任化

节点之间无需信任保证，经过零知识证实快速验证安全性

缺点

出块速度慢，共识时间长

       顾名思义，工做量证实须要大量的工做计算hash，花费的共识时间长，出块速度慢。好比比特币出块时间10分钟，每秒钟支持最大交易数仅为7笔。

能耗大

       挖矿须要大量的哈希运算，须要电力和各类算力资源，并且找到合适的哈希值实际上并无其余的做用

算力集中化

       因为矿池的出现，致使如今算力集中在几家，BTC.COM，Antpool，ViaBTC前三大矿池，已经占到了全网52.4%的算力水平。

思考

咱们看完文章就应该知道，pow的初衷就是它的破解复杂度，安全性高，pow的破解须要51%的节点才可能实现。可是算力集中化的出现，致使前几大矿池拥有的算力超过了51%，可能会出现他们联合起来恶意出块的现象，违背了pow的初衷。

比特币源码连接：https://github.com/bitcoin/bitcoin