以太坊源码分析:共识(3)PoW

前言

Ethash实现了PoW,PoW的精妙在于通过一个随机数确定,矿工确实做了大量的工作,并且是没有办法作弊的。接下来将介绍:

  1. Ethash的挖矿本质。
  2. Ethash是如何挖矿的。
  3. 如何验证Ethash的随机数。

Ethash的挖矿本质

挖矿的本质是找到一个随机数,证明自己做了很多工作(计算)。在Ethash中,该随机数称为Nonce,它需要满足一个公式:

Rand(hash, nonce) ≤ MaxValue / Difficulty

其中,

  • hash:去除区块头中Nonce、MixDigest生成的哈希值,见HashNoNonce()
  • nonce:待寻找的符合条件的随机数。
  • MaxValue:固定值2^256,生成的哈希值的最大取值。
  • Difficulty:挖矿难度。
  • Rand():使用hash和nonce生成一个哈希值,这其中包含了很多哈希运算。

以上参数中,在得到区块头的hash之后,只有nonce是未知的。

公式的含义是,使用hash和nonce生成的哈希值必须落在合法的区间。利用下图介绍一下,Rand()函数结果取值范围是[0, MaxValue],但只有计算出的哈希值在[0, MaxValue / Difficulty]内,才是符合条件的哈希值,进而该Nonce才是符合条件的,否则只能再去寻找下一个Nonce。

随机值的判断

以太坊可以通过调整Difficulty来调节当前挖矿的难度,Difficulty越大,挖矿的难度越大。当Difficulty越大时, MaxValue / Difficulty越小,合法的哈希值范围越小,造成挖矿难度增加。

哈希值满足条件的概率是 p = (MaxValue / Difficulty) / MaxValue = 1 / Difficulty,矿工需要进行1 / p = Difficulty次的判断,才有可能找到一个符合条件的Nonce,当前以太坊难度为3241847139727150。

如何挖矿

Ethash挖矿的主要思想是,开启多个线程去寻找符合条件的Nonce,给每个线程分配一个随机数,作为本线程的Nonce的初始值,然后每个线程判断当前的Nonce是否符合上面的公式,如果不符合,则把Nonce加1,再次进行判断,这样不定的迭代下去,直到找到一个符合条件的Nonce,或者挖矿被叫停。

接下来介绍挖矿的几个主要函数的实现,它们是:

  1. 挖矿的入口Seal函数。
  2. 挖矿函数mine函数。
  3. 挖矿需要的数据cache和dataset。
  4. Rand()函数的实现hashimotoFull和hashimoto。

挖矿入口Seal()

Seal是引擎的挖矿入口函数,它是管理岗位,负责管理挖矿的线程。它发起多个线程执行Ethash.mine进行并行挖矿,当要更新或者停止的时候,重新启动或停止这些线程。
Seal函数:发布挖矿任务

挖矿函数mine()

mine函数负责挖矿。Seal在启动每一个mine的时候,给它分配了一个seedmine会把它作为Nonce的初始值,然后生成本高度使用的dataset,然后把dataset, hash, nonce传递给hashimotoFull函数,这个函数可以认为是原理介绍中的Rand随机函数,他会生成哈希值Result,当Result <= Target的时候,说明哈希值落在符合条件的区间了,mine找到了符合条件的Nonce,使用Digest和nonce组成新的区块后,发送给Seal,否则验证下一个Nonce是否是符合条件的。

Miner函数

挖矿需要的数据cache和dataset

dataset用来生成Result,而cache用来生成dataset。至于如何使用dataset生成Resulthashimoto()中讲述,本节介绍如何生成dataset。

dataset和cache中存放的都是伪随机数,每个epoch的区块使用相同的cache和dataset,并且dataset需要暂用大量的内存。刚开始时cache是16MB,dataset是1GB,但每个epoch它们就会增大一次,它们的大小分别定义在datasetSizescacheSizes,dataset每次增长8MB,最大能达到16GB,所以挖矿的节点必须有足够大的内存。

使用cache生成dataset。使用cache的部分数据,进行哈希和异或运算,就能生成一组dataset的item,比如下图中的cache中黄色块,能生成dataset中的黄色块,最后把这些Item拼起来就生成了完整的Dataset,完成该功能的函数是generateDataset

cache和Dataset

dataset.generate()是dataset的生成函数,该函数只执行一次,先使用generateCache()生成cache,再将cache作为generateDataset()的入参生成dataset,其中需要重点关注的是generateDatasetItem(),该函数是根据部分cache,生成一组dataset item,验证PoW的nonce的时候,也需要使用该函数。

Dataset的生成

Rand()的实现hashimotoFull()和hashimoto()

hashimotoFull功能是使用dataset、hash和nonce生成Digest和Result。它创建一个获取dataset部分数据的lookup函数,该函数能够返回连续的64字节dataset中的数据,然后把lookup函数、hash和nonce传递给hashimoto
hashimotoFull

hashimoto的功能是根据hash和nonce,以及lookup函数生成DigestResult,lookup函数能够返回64字节的数据就行。它把hash和nonce合成种子,然后根据种子生成混合的数据mix,然后进入一个循环,使用mix和seed获得dataset的行号,使用lookup获取指定行的数据,然后把数据混合到mix中,混合的方式是使用哈希和异或运算,循环结束后再使用哈希和异或函数把mix压缩为64字节,把mix转为小端模式就得到了Digest,把seed和mix进行hash运算得到Result。

hashimoto

如何验证

PoW的验证是证明出块人确实进行了大量的哈希计算。Ethash验证区块头中的NonceMixDigest是否合法,如果验证通过,则认为出块人确实进行了大量的哈希运算。验证方式是确定区块头中的Nonce是否符合公式,并且区块头中的MixDigest是否与使用此Nonce计算出的是否相同。

验证与挖矿相比,简直是毫不费力,因为:

  1. 时间节省。验证只进行1次hashimoto运算,而挖矿进行大约Difficulty次。
  2. 空间节省。验证只需要cache,不需要dataset,也就不需要计算庞大的dataset,因此不挖矿的验证节点,不需要很高的配置。

接下来介绍验证函数VerifySeal(),以及根据cache生成DigestResulthashimotoLight()

验证函数VerifySeal

Ethash.VerifySeal实现PoW验证功能。首先先判断区块中的Difficulty是否匹配,然后生成(获取)当前区块高度的cache,把cache和nonce传递给hashimotoLight,该函数能根据cache, hash, nonce生成Digest和Result,然后校验Digest是否匹配以及Result是否符合条件。

VerifySeal

hashimotoLight函数

hashimotoLight使用cache, hash, nonce生成DigestResult生成Digest和Result只需要部分的dataset数据,而这些部分dataset数据时可以通过cache生成,因此也就不需要完整的dataset。它把generateDatasetItem函数封装成了获取部分dataset数据的lookup函数,然后传递给hashimoto计算出Digest和Result。

hashimotoLight

FAQ

  • Q:每30000个块使用同一个dataset,那可以提前挖出一些合法的Nonce?
    A: 不行。提前挖去Nonce,意味着还不知道区块头的hash,因此无法生成合法的Nonce。
  • Q:能否根据符合条件的哈希值,反推出Nonce呢?
    A:不行。因为哈希运算具有不可逆性,不能根据摘要反推出明文,同理根据哈希值也无法推出Nonce。
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  2. 本文作者:大彬
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