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2: 权益证明

概述

本章，我们将为玩具区块链版本实施一个简单的权益证明方案。在第一章版本中，任何人都可以在不增加成本的情况下将区块添加到区块链中。通过权益证明，我们可以在块添加到区块链之前引入需要解决的计算难题。视图解决这个难题通常被称为“挖矿”。

通过权益证明验证，我们还可以控制（大约）区块链引入块的频率。这是通过改变难题的难度来完成的。如果区块被挖掘出来过于频繁，难题的难度就会增加，反之亦然。

应指出，本章中还没有介绍交易。这意味着矿工实际上没有激励来生产块。通常在加密货币中，矿工会因为寻找到块而获得奖励，但在我们的区块链中情况并非如此。

本章将要实现的文章代码请戳这里

难度、随机性和权益证明难题

我们将在块结构中新增两个属性：difficulty（译者注：难度系数） 和 nonce（译者注：随机数）。为了便于理解其含义，必须先介绍权益证明难题。

权益证明难题是找到一个拥有特定数量的0作为前缀的块hash。difficulty属性定义了块hash必须有多少个前缀0，以使块有效。前缀的0通过块hash的二进制格式进行检查。

下面是一些针对各种难度系数的有效和无效hash的例子：

检查hash在difficulty方面是否正确的代码如下：

const hashMatchesDifficulty = (hash: string, difficulty: number): boolean => {
    const hashInBinary: string = hexToBinary(hash);
    const requiredPrefix: string = '0'.repeat(difficulty);
    return hashInBinary.startsWith(requiredPrefix);
};

为了找到满足难度系数的hash值，必须能够为相同内容的块计算不同的hash值。这是通过修改nonce参数来完成的。由于SHA256是一个hash函数，每当块中的任何内容发生变化时，hash会完全不同。“挖矿”基本上只是尝试不同的随机数，直到块hash值符合难度系数的要求。

增加了difficulty和nonce的块结构如下：

class Block {

    public index: number;
    public hash: string;
    public previousHash: string;
    public timestamp: number;
    public data: string;
    public difficulty: number;
    public nonce: number;

    constructor(index: number, hash: string, previousHash: string,
                timestamp: number, data: string, difficulty: number, nonce: number) {
        this.index = index;
        this.previousHash = previousHash;
        this.timestamp = timestamp;
        this.data = data;
        this.hash = hash;
        this.difficulty = difficulty;
        this.nonce = nonce;
    }
}

我们还须记得更新起始块！

找到一个块

如上所述，为了找到一个有效的块hash，必须增加nonce，直到得到一个有效的hash。找到满意的hash完全是一个随机过程。我们必须通过足够的随机循环，直到找到满意的hash为止：

const findBlock = (index: number, previousHash: string, timestamp: number, data: string, difficulty: number): Block => {
    let nonce = 0;
    while (true) {
        const hash: string = calculateHash(index, previousHash, timestamp, data, difficulty, nonce);
        if (hashMatchesDifficulty(hash, difficulty)) {
            return new Block(index, hash, previousHash, timestamp, data, difficulty, nonce);
        }
        nonce++;
    }
};

当找到该块时，就像第一章中所述那样将其广播到网络中。

对难度系数达成共识

现在我们已经有办法查找并验证hash值，但是如何确定难度系数呢？节点必须有一种方式来同意目前的困难。为此，我们介绍一些用来计算当前网络难度的新规则。

我们为网络定义以下新的常量：

• BLOCK_GENERATION_INTERVAL，定义应该找到块的频率。（在比特币中这个值是10分钟）
• DIFFICULTY_ADJUSTMENT_INTERVAL，定义了难度应该随网络hash率的增加或减少而调整的频率。（在比特币中，这个值是2016个块）

我们将块生成间隔设置为10秒，难度调整为10个块。这些常量不会随时间变化，且它们是硬编码的。

// in seconds
const BLOCK_GENERATION_INTERVAL: number = 10;

// in blocks
const DIFFICULTY_ADJUSTMENT_INTERVAL: number = 10;

现在我们有办法就区块的困难系数达成一致。对于每10个生成的块，我们检查生成这些块的时间是大于还是小于预期时间。预期时间计算如下：BLOCK_GENERATION_INTERVAL * DIFFICULTY_ADJUSTMENT_INTERVAL。预期时间表示hash率与当前困难度完全匹配的情况。

如果所花费的时间比预期难度至少大两倍或者更小，可以将难度系数提高或者降低1，。难度调整由以下代码处理：

const getDifficulty = (aBlockchain: Block[]): number => {
    const latestBlock: Block = aBlockchain[blockchain.length - 1];
    if (latestBlock.index % DIFFICULTY_ADJUSTMENT_INTERVAL === 0 && latestBlock.index !== 0) {
        return getAdjustedDifficulty(latestBlock, aBlockchain);
    } else {
        return latestBlock.difficulty;
    }
};

const getAdjustedDifficulty = (latestBlock: Block, aBlockchain: Block[]) => {
    const prevAdjustmentBlock: Block = aBlockchain[blockchain.length - DIFFICULTY_ADJUSTMENT_INTERVAL];
    const timeExpected: number = BLOCK_GENERATION_INTERVAL * DIFFICULTY_ADJUSTMENT_INTERVAL;
    const timeTaken: number = latestBlock.timestamp - prevAdjustmentBlock.timestamp;
    if (timeTaken < timeExpected / 2) {
        return prevAdjustmentBlock.difficulty + 1;
    } else if (timeTaken > timeExpected * 2) {
        return prevAdjustmentBlock.difficulty - 1;
    } else {
        return prevAdjustmentBlock.difficulty;
    }
};

时间戳验证

第一章中，时间戳没有任何验证作用。事实上，它可能是客户端决定生成的任何东西。现在情况发生了变化，因为引入了难度调整timeTaken变量（在前面的代码段中），它是根据块的时间戳计算而来的。

为了减轻引入错误时间戳的攻击以便处理难度系数，引入以下规则：

• 如果时间戳在前一个块的时间戳之前最多一分钟内，则区块链中的块是有效的。
• 如果时间戳在感知到的时间起未来最多一分钟内，则块是有效的。

const isValidTimestamp = (newBlock: Block, previousBlock: Block): boolean => {
    return ( previousBlock.timestamp - 60 < newBlock.timestamp )
        && newBlock.timestamp - 60 < getCurrentTimestamp();
};

累积难度

在上一章的区块链版本中，始终选择“最长”区块链作为有效区块链。有了难度系数后方案必须要调整。现在正确的链条不是“最长”的，而是具有最大累积库困难度的链条。换言之，正确的链是一条需要大部分资源（= hashRate * time）才能生成的链条。

为了获得链条的累积困难度，需要为每个块执行2的difficulty次方次计算，并将所有块的计算次数累加。我们必须使用2的difficulty次方来表示计算次数，因为我们选择了用难度系数来表示二进制hash前缀的0的个数。例如，如果我们比较5和11这两个难度系数，后者需要额外增加2^(11-5) = 2^6的工作量才能找到后一块块。

以下例子中，虽然链条A拥有更长的链条，但链条B才是正确的链条。

计算累积难度时，只有块的难度系数有用，而不是实际的hash（假设hash是有效的）。例如，如果难度系数为4，hash为：000000a34c……（也满足6的难度），则在计算累积难度时仅考虑为4的难度系数。

这个属性也被成为“Nakamoto共识”，它是Satoshi在发明比特币时最重要的发明之一。在分叉的情况下，矿工必须选择他们决定将当前的资源（hashRate）放置哪个链条上。由于矿工的兴趣在于生产将包含在区块链中的此类区块，因此矿工们获得激励，最终选择相同的链条。

结论

权益证明难题必须具备的一个重要特征是它很难解决，但易于验证。寻找特定的SHA256 hash值是这类问题的一个很好和简单的例子。

我们实现了难度方面，但节点现在必须“挖矿”，以便链条可以添加新块。在下一章中，我们将实现交易。

本章完整代码可以在这里找到