cpp 区块链模拟示例(四) 区块链工作量证明

上一个章节我们已经创建了区块链的基本原形，但是区块的哈希计算和加入太过于简单，如果按照这种速度添加区块那么区块链估计一个小时就爆满了。

真实的比特币中是全网一个小时产生6个区块，我们的示例中也需要调整区块哈希计算的难度。

工作量证明

人为的提升哈希计算的阀值，加大哈希计算难度与工作量，这样的工作机制才能保证整个区块链数据的安全性和一致性。

工作量证明

区块链的一个关键点就是，一个人必须经过一系列困难的工作，才能将数据放入到区块链中。正是这种困难的工作，才使得区块链是安全和一致的。此外，完成这个工作的人也会获得奖励（这也就是通过挖矿获得币）。

这个机制与生活的一个现象非常类似：一个人必须通过努力工作，才能够获得回报或者奖励，用以支撑他们的生活。在区块链中，是通过网络中的参与者（矿工）不断的工作来支撑整个网络，也就是矿工不断地向区块链中加入新块，然后获得相应的奖励。作为他们努力工作的结果，新生成的区块就能够被安全地被加入到区块链中，这种机制维护了整个区块链数据库的稳定性。值得注意的是，完成了这个工作的人必须要证明这一点，他必须要证明确实是他完成了这些工作。

整个 “努力工作并进行证明” 的机制，就叫做工作量证明（proof-of-work）。要想完成工作非常地不容易，因为这需要大量的计算能力：即便是高性能计算机，也无法在短时间内快速完成。此外，这个工作的困难度会随着时间不断增长，以保持每个小时大概出 6 个新块的速度。在比特币中，这个工作的目的是为了找到一个块的哈希，同时这个哈希满足了一些必要条件。这个哈希，也就充当了证明的角色。因此，寻求证明（寻找有效哈希），就是实际要做的事情。

Hashcash

比特币使用 Hashcash ，一个最初用来防止垃圾邮件的工作量证明算法。它可以被分解为以下步骤：

取一些公开的数据（比如，如果是 email 的话，它可以是接收者的邮件地址；在比特币中，它是区块头）
给这个公开数据添加一个计数器。计数器默认从 0 开始
将 data(数据) 和 counter(计数器) 组合到一起，获得一个哈希
检查哈希是否符合一定的条件：
1. 如果符合条件，结束
2. 如果不符合，增加计数器，重复步骤 3-4

因此，这是一个暴力算法：改变计数器，计算一个新的哈希，检查，增加计数器，计算一个哈希，检查，如此反复。这也是为什么说它是在计算上是非常昂贵的，因为这一步需要如此反复不断地计算和检查。

现在，让我们来仔细看一下一个哈希要满足的必要条件。在原始的 Hashcash 实现中，它的要求是 “一个哈希的前 20 位必须是 0”。在比特币中，这个要求会随着时间而不断变化。因为按照设计，必须保证每 10 分钟生成一个块，而不论计算能力会随着时间增长，或者是会有越来越多的矿工进入网络，所以需要动态调整这个必要条件。

首先定义挖矿难度，也就是哈希值前多少位必须为0的检测标准。

#define DifficultyNum    6

我们删除原来在Block类中的Sethash()函数，取而代之的是string Block::CalculateHash() 和 void Block::ProofOfWork(int difficultNum)

string Block::CalculateHash() 是根据区块Block的创建时间和区块描述和上一个区块的哈希以及_nNonce来计算一个哈希值并放回。返回的值会发送给ProofOfWork()函数验证是否符合标准(前DifficultyNum位必须为零).

string Block::CalculateHash() {
    stringstream ss;
    ss << _tTime << _data << _prevHash << _nNonce;
    return sha256(ss.str());
}

void Block::ProofOfWork(int difficultNum) {
    char cstr[DifficultyNum + 1];
    for (uint32_t i = 0; i < DifficultyNum; ++i) {
        cstr[i] = '0';
    }
    cstr[DifficultyNum] = '\0';
    string str(cstr);
    do {
        _nNonce++;
        _hash = CalculateHash();
    } while (_hash.substr(0, difficultNum) != str);

    std::cout << "Block mined: " << _hash << std::endl;
}

相应的在创建区块后都要调用工作量证明函数

void Blockchain::AddBlock(string datain) {
    Block* prev = blocks.back();
    Block* newblock = new  Block(datain, prev->_hash);
    newblock->ProofOfWork(DifficultyNum);
    blocks.push_back(newblock);
}

static Block* NewBlock(string datain, string prevBlockHash) {
        Block* p = new Block( datain, prevBlockHash);
        p->ProofOfWork(DifficultyNum);
        return p;
    }

main函数基本没有变化我们运行查看效果

int main()
{
    Blockchain* bc = TOOLS::NewBlockchain();

    bc->AddBlock("Send 1 BTC to Ivan");
    bc->AddBlock("Send 2 more BTC to Ivan");

    for (int i = 0; i < bc->blocks.size(); i++) {
        std::cout << "Prev hash = " << bc->blocks[i]->_prevHash << std::endl;
        std::cout << "data  = " << bc->blocks[i]->_data << std::endl;
        std::cout << "hash  = " << bc->blocks[i]->_hash << std::endl << std::endl;

    }

    //退出之前 删除
    delete bc;

    return 0;
}

这个是难度为4的计算结果:

参考博文：

https://blog.csdn.net/simple_the_best/article/details/78104604

https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-2/