比特币pow难度验证

何为POW

pow的全称为proof of work，即工作量证明。简单的解释为“做了多少工作”。抛开区块链的背景，pow就是对自己做了多少工作的一种说明：比如做了学习了50个小时的汽车驾驶。而他人很容易验证这个结果：你可能50个小时之后拿到了一本驾照。别人就知道你确实在学习驾驶上使用了50个小时。

Block Header

在区块链的世界里，pow的数据可以体现在区块链的区块头中。当然一般来说，讲解POW的难度离不开挖矿问题。本文因为主要讨论方向的问题，不展开讲挖矿，主要从区块头入手。在阅读下面的内容之前，默认读者已经有了如下前置知识

区块链常识
比特币基本概念
挖矿基本概念

抛开前置知识之后，我们来看区块头的数据结构。

https://en.bitcoin.it/wiki/Protocol_documentation#Block_Headers

可以直接参考以上链接，当然可以可以直接查看比特币的源码，我们现在把数据列出来。

struct header_structure {      // BYTES   NAME
 uint32_t nVersion;            // 4       version
 uint8_t hashPrevBlock[32];    // 32      previous block header hash
 uint8_t hashMerkleRoot[32];   // 32      merkle root hash
 uint32_t nTime;               // 4       time
 uint32_t nBits;               // 4       target
 uint32_t nNonce;              // 4       nonce
};

现在逐条解释block header中的字段。

nVersion 版本号，主要用来跟踪软件版本（bitcoin core）和协议号现在固定为2

hashPrevBlock 前一个节点的hash值，我们知道区块链的链，大致指的是数据链式存储。我们可以简单粗暴的理解为它是指向前置节点的链表。

hashMerkleRoot 默克尔根，区块中所有交易组合起来生产成本的默克尔树的根。详情可参考数据结构“默克尔树”

nTime 时间戳，标志块生成的时间

nBits 和难度有关，本文讨论的重点

nNonce 随机值，和难度有关，本文讨论的重点

基本概念

现在介绍基本概念，方便理解：

挖矿是矿工之间互相竞争的结果，谁先算出有效区块，谁就可以得到块中的比特币奖励，它叫做coinbase，另外块中有交易，交易中蕴含的手续费也是矿工的奖励
有效区块的意思是：区块头的SHA256结果要小于等于一个目标值（target）
merkleroot是矿工从内存池取出来的“交易”构建的。
大致上是先构建，再验证
- 对区块头做SHA256运算，如果结果小于等于一个目标值（target），则新块构建成功，广播到全网，随后开始下一次算力竞赛
- 否则，调整区块头部分字段的值（修改Nonce或者通过调整交易来修改Merkle Root），重新做计算

目标值target

前一段提到了，区块头hash计算之后小于等于目标值才算有效区块。注意区块头哈希算法SHA256有256位，而bits只有32位。bit转换成target有特定公式：

target = coefficient * 256^(exponent – 3)

随机抽取一个幸运区块来分析一下，我们就选高度为88888的区块。

1 2	bits 454,373,987 注意：这个bits是10进制，我们分析时候需要转16进制对应为 0x1b153263

bit值是按照系数+指数的方式存储的，前两位为幂，后六位为系数。

1b为幂（exponent） 153263为系数(coefficient)注意这是16进制
根据公式
target = (0x153263）* 256^(1b - 3)
target =  1389155 * 256^(27 - 3）
			 = 8719867261221084516486306056196045840260667577454435863762042880
       = 00 00 00 00 00 15 32 63 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

需要注意的有：计算的时候还是转10进制，计算完之后要转16进制，不够64位的要在高位补零。

实际上我们发现，实际的hash

000000000013a2a3a8f1aaec4690f55fdcb4067d812521a6d55239d8ea1a4dd3

比目标target确实是小的。

难度

查看创世区块我们发现 bits为0x1d00ffff （486604799）。我们把这个难度定为1

根据上面的公式，我们可以很简单的计算出target 0x00ffff * 256^26

0x00000000ffff0000000000000000000000000000000000000000000000000000

也就是说下一个区块头的sha256哈希值要小于这个值（前三十二位为0)。

target用16进制表示，每两个十六进制位表示一个字节bytes，前面有8个0，相当于4个字节，为4*8 = 32位（2进制位bit）

这里有个重要结论：

SHA256运算的结果被认为是一致的随机序列。换个说法：SHA256的结果中的某一位的值，为0或为1的概率相同。所以做一次计算，满足上述条件（前32位的值均为0）的概率为1 / (2^32)，也就是平均要做2^32次运算，才能找到这个值

关于一致的随机序列：可以看这个

在此之上，我们定义：“使区块头的SHA256结果小于某个目标值（target），平均要尝试的计算次数，这个次数为难度（difficulty)”。创世区块的难度为1！

比特币有这样一个公式

difficulty—current = target-genesis / target-current

随机选取一个幸运高度算一个选择500000

bits: 402,691,653
Difficulty: 1,873,105,475,221.61

bit转16进制 18 009645
target = (0x009654) * 256^(18-3)
			 =  38484 * 256^(24-3)
			
创世块的target = (0x00ffff * 256 ^ 26)  

两者相除 = 65535/38484 * 256^5
			  = 1.70291549735 * 2 ^ 40
				= 1,873,105,475,221.61
				= 1.87 * 10^12

可以看到计算出的难度和区块链浏览器展示的难度一致。大约为1.87T。

此外，还有一个计算公式

出块时间(单位：秒) ≈ difficulty_当前 * 2^32 / 全网算力

有兴趣的话可以去区块链浏览器上计算一下，在当前的难度下，出块时间是不是保持在10分钟左右。

难度的调整

由上述计算得知，区块链难度取决于target值。target值和bits值相关。根据区块链的设计，要保证在10分钟左右出块。实际上，在难度不变的情况下，出块速度和全网算力相关，全网算力越大，则出块时间越短。为了保证出块时间的基本恒定，比特币在代码中内置了一个调整难度的算法。实际上这个算法很简单：

每产生2016个块，期望时间为2016*10min，大约两周。全网实际出2016个块的时间和期望时间做对比（times对比），小于期望就增加难度，大于期望值就减小难度。总体保持恒定。

根据比特币的源码，调整难度也是有限度的，如果调整的倍数超过4倍，按照4倍或者四分之一来调整。再次强调一遍，区块中的难度不是直接写入区块头的，是调整bits值得到的。有兴趣可以看这里。

注意：实际代码中2015个块就会调整，因为当初写代码写错了。。。

关于难度验证的闲话

区块链pow难度验证如何保证数据的正确性

这里面有两个问题：交换数据的时候如何保证这个块是正常的块，不是伪造的?

答：区块链像链表一样，要指向前一个块。本区块中的的prvehash要和前一个区块的哈希一致。另外就是要计算pow难度，大致相当于之前的target计算过程，target要满足要求说明才是正常的块。

再进一步：如果难度满足要求，就是正常的块，有没有可能同时有两个以上有效块产生？

完全可能，因为coinbase不一样，merkle树不一样，nonce值也不一样，计算出来hash也不一样，是存在两个不一样的块都满足要求都被接受的。但是，总有一个块会更快得到其他块，链接上。所以最长的链才是有效链。

安全广播的问题？

答：所谓安全广播，就是指如何应对别人窃取你的工作量，别人是否可以拿你打包的那些交易?答案是不可以，打包的时候，要从交易池获取对应的交易，其中第一个交易是自己的coinbase交易，如果你先成功，相当于矿工已经锁定了交易，锁定了merkletree。别的矿工只好开始下一轮竞争。换句话说：你打包了就是你的，别人只能放弃。这里有个常见的误解，因为交易是从内存池取过来的，交易不一样得到的merkler树不一样，会影响块hash计算，那我岂不是永远无法的的计算出合适的hash？实际在挖矿过程中，矿工会按照交易费高低排序，优先高交易费的交易打包进块。他为了快，选取什么交易（先算好），times是什么都是固定的（只要比上一个大就行），专心寻找nonce值即可。