如何使用Go語言編寫自己的區塊鏈挖礦演算法

03-27

譯文聲明本文是翻譯文章，文章原作者Coral Health，文章來源：http://medium.com
原文地址：https://medium.com/@mycoralhealth/code-your-own-blockchain-mining-algorithm-in-go-82c6a71aba1f

一、前言

隨著近期比特幣（Bitcoin）以及以太坊（Ethereum）挖礦熱潮的興起，人們很容易對此浮想聯翩。對於剛進入該領域的新手而言，他們會聽到各種故事，比如許多人將GPU堆滿倉庫來瘋狂挖礦，每月能挖到價值數百萬美元的加密貨幣（cryptocurrency）。那麼就是什麼是密幣挖礦？挖礦的原理是什麼？怎麼樣才能編寫自己的挖礦演算法？

在本文中，我們會給大家一一解答這些問題，然後介紹如何編寫自己的挖礦演算法。我們將這種演算法稱為Proof of Work（工作量證明）演算法，該演算法是比特幣及以太坊這兩種最流行的加密貨幣的基礎。無需擔憂，我們會給大家介紹得明明白白。

二、什麼是密幣挖礦

物以稀為貴，對加密貨幣來說也是如此。如果任何人在任何時間都可以隨意生產任意多的比特幣，那麼比特幣作為一種貨幣則毫無價值可言（稍等，這不正是美聯儲常乾的事嗎……）。比特幣演算法每隔10分鐘就會向比特幣網路中的獲勝成員頒發一次比特幣，總量大約在122年內會達到最大值。這種頒發機制可以將通貨膨脹率控制在一定範圍內，因為演算法並沒有在一開始就給出所有密幣，而是隨著時間推移逐步產出。

在這種演算法下，為了獲取比特幣獎勵，礦工們需要付出「勞動」，與其他礦工競爭。這個過程也稱為「挖礦」，因為該過程類似於黃金礦工的採礦過程，為了找到一點黃金，工人們也需要付出時間及精力最終才能獲取勝利果實（有時候也會竹籃打水一場空）。

比特幣演算法會強制參與者（或節點）進行挖礦，同時相互競爭，確保比特幣產出速度不至於太快。

三、如何挖礦

如果在Google上搜索「如何挖比特幣？」，我們會看到大量結果，紛紛解釋挖掘比特幣需要節點（用戶或者主機）來解決複雜的數學難題。雖然這種說法從技術角度來看沒有問題，但簡單稱之為「數學」問題顯然有點太過於僵硬，挖礦的過程其實非常有趣。我們要了解一些密碼學知識以及哈希演算法，才能理解挖礦的原理。

密碼學簡介

單向加密以人眼可讀的數據作為輸入（如「Hello world」），然後通過某個函數生成難以辨認的輸出。這些函數（或者演算法）在性質及複雜度上各不相同。演算法越複雜，想逆向分析就越難。因此，加密演算法在保護數據（如用戶密碼以及軍事代碼）方面至關重要。

以非常流行的SHA-256演算法為例，我們可以使用哈希生成網站來生成SHA-256哈希值。比如，我們可以輸入「Hello world」，觀察對應的哈希結果：

我們可以重複計算「Hello world」的哈希值，每次都能得到相同的結果。在編程中，輸入相同的情況下，如果每次都得到同樣的輸出，這個過程稱之為「冪等性（idempotency）」。

對於加密演算法而言，我們很難通過逆向分析來推導原始輸入，但很容易驗證輸出結果是否正確，這是加密演算法的一個基本特性。比如前面那個例子，我們很容易就能驗證「Hello world」的SHA-256哈希值是否正確，但很難通過給定的哈希值來推導原始輸入為「Hello world」。這也是我們為何將這類加密方法稱為單向加密的原因所在。

比特幣使用的是雙重SHA-256演算法（Double SHA-256）,也就是說它會將「Hello world」的SHA-256哈希值作為輸入，再計算一次SHA-256哈希。在本文中，為了方便起見，我們只計算一次SHA-256哈希。

挖礦

理解加密演算法後，我們可以回到密幣挖礦這個主題上。比特幣需要找到一些方法，讓希望獲得比特幣的參與者能通過加密演算法來「挖礦」，以便控制比特幣的產出速度。具體說來，比特幣會讓參與者計算一堆字母和數字的哈希值，直到他們算出的哈希值中「前導0」的位數超過一定長度為止。

比如，回到前面那個哈希計算網站，輸入「886」後我們可以得到前綴為3個0的哈希值。

問題是我們如何才能知道「886」的哈希值開頭包含3個零呢？這才是重點。在撰寫本文之前，我們沒有辦法知道這一點。從理論上講，我們必須嘗試字母和數字的各種組合，對結果進行測試，直到獲得滿足要求的結果為止。這裡我們事先給出了「886」的哈希結果以便大家理解。

任何人都能很容易驗證出「886」是否會生成3位前導零的哈希結果，這樣就能證明我們的確做了大量測試、檢查了大量字母和數字的組合，最終得到了這一結果。因此，如果我們是第一個獲得這個結果的人，其他人可以快速驗證「886」的正確性，這個工作量的證明過程可以讓我贏得比特幣。這也是為什麼人們把比特幣的一致性演算法稱之為Proof-of-Work（工作量證明）演算法。

但如果我的運氣爆表，第一次嘗試就生成了3個前導零結果呢？這種事情基本不可能發生，偶然的節點在首次嘗試時就成功挖掘新塊（向大家證明他們的確做了這項工作）的可能性微乎其微，相反其他數百萬個節點需要付出大量工作才能找到所需的散列。你可以繼續嘗試一下，隨便輸入一些字母和數字的組合，我打賭你得不到3個前導零的結果。

比特幣的約束條件比這個例子更加複雜（要求得到更多位前導零！），並且它能動態調整難度，以確保工作量不會太輕或者太重。請記住，比特幣演算法的目標是每隔10分鐘產出一枚比特幣。因此，如果太多人參與挖礦，比特幣需要加大工作量證明難度，實現難度的動態調整。從我們的角度來看，調整難度等同於增加更多位前導零。

因此，大家可以明白比特幣的一致性演算法比單純「解決數學難題」要有趣得多。

四、開始編程

背景知識已經介紹完畢，現在我們可以使用Proof-of-Work演算法來構建自己的區塊鏈（Blockchain）程序。我選擇使用Go語言來實現，這是一門非常棒的語言。

在繼續之前，我建議你閱讀我們之前的一篇博客：<a href=」https://medium.com/@mycoralhealth/code-your-own-blockchain-in-less-than-200-lines-of-go-e296282bcffc」>《用200行Go代碼實現自己的區塊鏈》。這不是硬性要求，但我們會快速掠過以下某些例子，如果你想了解更多細節，可以參考那篇文章。如果你已經了如指掌，可以直接跳到「Proof of Work」章節。

整體架構如下：

我們需要一台Go伺服器，為了簡單起見，我會將所有代碼放在一個main.go文件中。這個文件提供了關於區塊鏈邏輯的所有信息（包括Proof of Work），也包含所有REST API對應的處理程序。區塊鏈數據是不可改變的，我們只需要GET以及POST請求即可。我們需要使用瀏覽器發起GET請求來查看數據，使用Postman來POST新的區塊（也可以使用curl）。

導入依賴

首先我們需要導入一些庫，請使用go get命令獲取如下包：

1、github.com/davecgh/go-spew/spew：幫助我們在終端中直接查看結構規整的區塊鏈信息。

2、github.com/gorilla/mux：用來搭建Web伺服器的一個庫，非常好用。

3、github.com/joho/godotenv：可以從根目錄中的.env文件中讀取環境變數。

首先我們可以在根目錄中創建一個.env文件，用來存放後面需要的一個環境變數。.env文件只有一行：ADDR=8080。

在根目錄的main.go中，將依賴包以聲明的方式導入：

package mainimport ( "crypto/sha256" "encoding/hex" "encoding/json" "fmt" "io" "log" "net/http" "os" "strconv" "strings" "sync" "time" "github.com/davecgh/go-spew/spew" "github.com/gorilla/mux" "github.com/joho/godotenv")

如果你看過我們前面那篇<a href=」https://medium.com/@mycoralhealth/code-your-own-blockchain-in-less-than-200-lines-of-go-e296282bcffc」>文章，那麼對下面這張圖應該不會感到陌生。我們使用散列演算法來驗證區塊鏈中區塊的正確性，具體方法是將某個區塊中的previous hash與前一個區塊的hash進行對比，確保兩者相等。這樣就能維護區塊鏈的完整性，並且惡意成員無法篡改區塊鏈的歷史信息。

其中，BPM指的是脈搏速率，或者每分鐘的跳動次數。我們將使用你的心率來作為區塊中的一部分數據。你可以將兩根手指放在手腕內側，計算一分鐘內感受到多少次脈動，記住這個數字即可。

基本概念

現在，在main.go的聲明語句後面添加數據模型以及後面需要用到的其他變數。

const difficulty = 1type Block struct { Index int Timestamp string BPM int Hash string PrevHash string Difficulty int Nonce string}var Blockchain []Blocktype Message struct { BPM int}var mutex = &sync.Mutex{}

difficulty是一個常量，用來定義哈希值中需要的前導零位數。前導零位數越多，我們越難找到正確的哈希值。我們先從1位前導零開始。

Block是每個區塊的數據模型。不要擔心Nonce欄位，後面我們會介紹。

Blockchain由多個Block組成，代表完整的區塊鏈。

我們會在REST API中，使用POST請求提交Message以生成新的Block。

我們聲明了一個互斥量mutex，後面我們會使用該變數避免出現數據競爭，確保多個區塊不會同一時間生成。

Web伺服器

讓我們快速搭一個Web伺服器。首先創建一個run函數，main函數隨後會調用這個函數來運行伺服器。我們在makeMuxRouter()中聲明了相應的請求處理函數。請注意，我們需要通過GET請求獲取區塊鏈，通過POST請求添加新的區塊。區塊鏈無法更改，因此我們不需要實現編輯或刪除功能。

func run() error { mux := makeMuxRouter() httpAddr := os.Getenv("ADDR") log.Println("Listening on ", os.Getenv("ADDR")) s := &http.Server{ Addr: ":" + httpAddr, Handler: mux, ReadTimeout: 10 * time.Second, WriteTimeout: 10 * time.Second, MaxHeaderBytes: 1 << 20, } if err := s.ListenAndServe(); err != nil { return err } return nil}func makeMuxRouter() http.Handler { muxRouter := mux.NewRouter() muxRouter.HandleFunc("/", handleGetBlockchain).Methods("GET") muxRouter.HandleFunc("/", handleWriteBlock).Methods("POST") return muxRouter}

httpAddr := os.Getenv("ADDR")這行語句會從我們前面創建的.env文件中提取:8080這個信息。我們可以通過瀏覽器訪問http://localhost:8080/這個地址來訪問我們構建的應用。

現在我們需要編寫GET處理函數，在瀏覽器中顯示區塊鏈信息。我們還需要添加一個respondwithJSON函數，一旦API調用過程中出現錯誤就能以JSON格式返回錯誤信息。

func handleGetBlockchain(w http.ResponseWriter, r *http.Request) { bytes, err := json.MarshalIndent(Blockchain, "", " ") if err != nil { http.Error(w, err.Error(), http.StatusInternalServerError) return } io.WriteString(w, string(bytes))}func respondWithJSON(w http.ResponseWriter, r *http.Request, code int, payload interface{}) { w.Header().Set("Content-Type", "application/json") response, err := json.MarshalIndent(payload, "", " ") if err != nil { w.WriteHeader(http.StatusInternalServerError) w.Write([]byte("HTTP 500: Internal Server Error")) return } w.WriteHeader(code) w.Write(response)}

請注意：如果覺得我們講得太快，可以參考之前的<a href=」https://medium.com/@mycoralhealth/code-your-own-blockchain-in-less-than-200-lines-of-go-e296282bcffc」>文章，文章中詳細解釋了每個步驟。

現在編寫POST處理函數，這個函數可以實現新區塊的添加過程。我們使用Postman來發起POST請求，向http://localhost:8080發送JSON數據（如{「BPM」:60}），其中包含前面你記錄下的那個脈搏次數。

func handleWriteBlock(w http.ResponseWriter, r *http.Request) { w.Header().Set("Content-Type", "application/json") var m Message decoder := json.NewDecoder(r.Body) if err := decoder.Decode(&m); err != nil { respondWithJSON(w, r, http.StatusBadRequest, r.Body) return } defer r.Body.Close() //ensure atomicity when creating new block mutex.Lock() newBlock := generateBlock(Blockchain[len(Blockchain)-1], m.BPM) mutex.Unlock() if isBlockValid(newBlock, Blockchain[len(Blockchain)-1]) { Blockchain = append(Blockchain, newBlock) spew.Dump(Blockchain) } respondWithJSON(w, r, http.StatusCreated, newBlock)}

請注意代碼中mutex的lock以及unlock操作。在寫入新的區塊之前，我們需要鎖定互斥量，不然多次寫入就會造成數據競爭。細心的讀者會注意到generateBlock函數，這是處理Proof of Work的關鍵函數，稍後我們會介紹。

基本的區塊鏈函數

在介紹Proof of Work之前，先整理下基本的區塊鏈函數。我們添加了一個isBlockValid函數，確保我們的索引能正確遞增，並且當前區塊的PrevHash與前一個區塊的Hash相匹配。

我們也添加了一個calculateHash函數，用來生成哈希值，以計算Hash以及PrevHash。我們將Index、Timestamp、BPM、PrevHash以及Nonce（稍後我們會介紹這個欄位）串在一起，計算出一個SHA-256哈希。

func isBlockValid(newBlock, oldBlock Block) bool { if oldBlock.Index+1 != newBlock.Index { return false } if oldBlock.Hash != newBlock.PrevHash { return false } if calculateHash(newBlock) != newBlock.Hash { return false } return true}func calculateHash(block Block) string { record := strconv.Itoa(block.Index) + block.Timestamp + strconv.Itoa(block.BPM) + block.PrevHash + block.Nonce h := sha256.New() h.Write([]byte(record)) hashed := h.Sum(nil) return hex.EncodeToString(hashed)}

五、Proof of Work

現在來介紹挖礦演算法，也就是Proof of Work。在新的Block加入blockchain之前，我們需要確保Proof of Work任務已經完成。我們先以一個簡單的函數開始，該函數可以檢查Proof of Work過程中生成的哈希是否滿足我們設置的約束條件。

我們的約束條件如下：

1、Proof of Work生成的哈希必須具有特定位數的前導零。

2、前導零的位數由程序剛開始定義的difficulty常量來決定（這裡這個值為1）.

3、我們可以增加難度值來提高Proof of Work的難度。

首先構造一個函數：isHashValid：

func isHashValid(hash string, difficulty int) bool { prefix := strings.Repeat("0", difficulty) return strings.HasPrefix(hash, prefix)}

Go語言在strings包中提供了Repeat以及HasPrefix函數，使用起來非常方便。我們定義了一個prefix變數，用來表示前導零位數，然後檢查哈希值的前導零位數是否滿足要求，滿足則返回True，不滿足則返回False。

接下來創建generateBlock函數。

func generateBlock(oldBlock Block, BPM int) Block { var newBlock Block t := time.Now() newBlock.Index = oldBlock.Index + 1 newBlock.Timestamp = t.String() newBlock.BPM = BPM newBlock.PrevHash = oldBlock.Hash newBlock.Difficulty = difficulty for i := 0; ; i++ { hex := fmt.Sprintf("%x", i) newBlock.Nonce = hex if !isHashValid(calculateHash(newBlock), newBlock.Difficulty) { fmt.Println(calculateHash(newBlock), " do more work!") time.Sleep(time.Second) continue } else { fmt.Println(calculateHash(newBlock), " work done!") newBlock.Hash = calculateHash(newBlock) break } } return newBlock}

我們創建了一個newBlock變數，將前一個區塊的哈希值保存到PrevHash欄位中，確保區塊鏈滿足連續性要求。其他欄位的含義應該比較明顯：

1、Index不斷增加；

2、Timestamp是當前時間的字元串表現形式；

3、BPM是前面記錄下的心率；

4、Difficulty直接摘抄自最開頭定義的那個常量。這個例子中我們不會使用這個欄位，但如果我們想進一步驗證，確保難度值與哈希結果一致（也就是說哈希結果的前導零位數為N，那麼Difficulty的值應該也為N，否則區塊鏈就會遭到破壞），那麼這個欄位就非常有用。

這個函數中的for循環非常重要，我們詳細介紹一下：

1、獲取i的十六進位形式，將該值賦給Nonce。我們需要一種方法來將動態變化的一個值加入哈希結果中，這樣如果我們沒有得到理想的哈希值，就可以通過calculateHash函數繼續生成新的值。我們在calculateHash計算過程中添加的動態值就稱為「Nonce」。

2、在循環中，我們的i和Nonce值從0開始遞增，判斷生成的哈希結果中前導零位數是否與difficulty相等。如果不相等，我們進入新的迭代，增加Nonce，再次計算。

3、我們加了1秒的休眠操作，模擬解決Proof of Work所需的時間。

4、繼續循環，直到計算結果中包含特定位數的前導零為止，此時我們成功完成了Proof of Work任務。只有在這種情況下，我們的Block才能通過handleWriteBlock處理函數添加到blockchain中。

現在我們已經完成了所有函數，因此讓我們完成main函數吧：

func main() { err := godotenv.Load() if err != nil { log.Fatal(err) } go func() { t := time.Now() genesisBlock := Block{} genesisBlock = Block{0, t.String(), 0, calculateHash(genesisBlock), "", difficulty, ""} spew.Dump(genesisBlock) mutex.Lock() Blockchain = append(Blockchain, genesisBlock) mutex.Unlock() }() log.Fatal(run())}

使用godotenv.Load()語句我們可以完成環境變數（:8080埠）的載入，以便通過瀏覽器進行訪問。

區塊鏈得有一個起點，所以我們使用一個go常式來創建創世區塊。

然後使用前面構造的run()函數啟動Web伺服器。

六、大功告成

大家可以訪問Github獲取完整版代碼。

來跑一下看看效果。

首先使用go run main.go命令啟動程序。

然後在瀏覽器中訪問http://localhost:8080：

區塊鏈中已經有一個創世區塊。現在打開Postman，通過POST請求向伺服器發送包含BPM欄位（心率數據）的JSON數據。

發送完請求後，我們可以在終端中觀察操作結果。可以看到，我們的計算機會使用不斷遞增的Nonce值來創建新的哈希，直到計算出來的哈希滿足前導零位數要求為止。

完成Proof of Work任務後，我們可以看到一則提示消息：work done!。我們可以檢驗這個哈希值，發現它的確滿足difficulty所設置的前導零位數要求。這意味著從理論上來講，我們使用BPM = 60參數所生成的新區塊現在應該已經添加到區塊鏈中。

刷新瀏覽器看一下結果：

大功告成！我們的第二個區塊已經添加到創世區塊後面。也就是說，我們成功通過POST請求發送了區塊，這個操作觸發了挖礦過程，當且僅當Proof of Work得以解決時，新的區塊才能添加到區塊鏈中。

七、下一步考慮

非常好，前面學到的知識非常重要。Proof of Work是比特幣、以太坊以及其他區塊鏈平台的基礎。我們前面的分析意義非凡，雖然這個例子使用的難度值並不大，但實際環境中Proof of Work區塊鏈的工作原理就是把難度提高到較高水平而已。

現在你已經深入了解了區塊鏈技術的關鍵組成部分，後面的路需要你自己去走，我們建議你可以繼續學習以下知識：

1、學習區塊鏈網路的工作原理，可以參考我們的<a href=」https://medium.com/@mycoralhealth/part-2-networking-code-your-own-blockchain-in-less-than-200-lines-of-go-17fe1dad46e1″>網路教程。

2、學習如何以分散式方式存儲大型文件並與區塊鏈交互，可以參考我們的<a href=」https://medium.com/@mycoralhealth/learn-to-securely-share-files-on-the-blockchain-with-ipfs-219ee47df54c」>IPFS教程。

如果你還想繼續深入學習，可以考慮了解一下Proof of Stake（權益證明）。儘管目前大多數區塊鏈使用Proof of Work作為一致性演算法，但公眾越來越關注Proof of Stake。人們普遍認為，未來以太坊將從Proof of Work遷移至Proof of Stake。

本文翻譯自：medium.com
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