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比特池塘 区块链技术 正文

以太坊源码分析—Ethash共识算法

青丝暮雪780
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Ethereum当前和Bitcoin一样,采用基于工作量证明(Proof of Work,PoW)的共识算法来产生新的区块。与Bitcoin不同的是,Ethereum采用的共识算法可以抵御ASIC矿机对挖矿工作的垄断地位,这个算法叫做Ethash。8 j# R4 H5 Q5 k5 i" p8 i
为什么要反ASIC8 D3 [* [. E+ D% g/ Z
PoW的的核心是Hash运算,谁的Hash运算更快,谁就更有可能挖掘出新的区块,获得更多的经济利益。在Bitcoin的发展过程中,挖矿设备经历了(CPU=>GPU=>ASIC)的进化过程,其中的动机就是为了更快地进行Hash运算。随着矿机门槛地提高,参与者久越来越少,这与区块链的去中心化构想背道而驰。  B- U+ q2 o/ X8 Q4 T7 c' f
因此,在共识算法设计时,为了减少ASIC矿机的优势(专用并行计算),Ethereum增加了对于内存的要求,即在进行挖矿的过程中,需要占用消耗大量的内存空间,而这是ASIC矿机不具备的(配置符合运算那能力的内存太贵了,即使配置,这也就等同于大量CPU了)。即将挖矿算法从CPU密集型(CPU bound)转化为IO密集型(I/O bound)5 b( |" |5 w1 m3 x; I2 ?# ?
Dagger-Hashimoto
0 A+ Y7 l% ?, \+ qEthash是从Dagger-Hashimoto算法改动而来的,而Dagger-Hashimoto的原型是Thaddeus Dryja提出的Hashimoto算法,它在传统Bitcoin的工作量证明的基础上增加了消耗内存的步骤。8 k/ k, S! |0 g6 Z' n: E& f
传统的PoW的本质是不断尝试不同的nonce,计算HASH2 P; B0 h2 ~. f% S/ k
hash_output=HASH(prev_hash,merkleroot,nonce)$ u3 d9 i9 K: ]
如果计算结果满足$hash_output. U  J1 ]! I/ ?( L: s5 Z% C. E
而对于Hashimoto,HASH运算仅仅是第一步,其算法如下:; j0 X/ N6 _6 C7 Z
nonce: 64-bits.正在尝试的nonce值* V; r! j" q+ ~  @
get_txid(T):历史区块上的交易T的hash6 R% J/ ?. C/ V' q) R9 A* `
total_transactions: 历史上的所有交易的个数
" ?, y5 F/ N; ^/ L/ ihash_output_A = HASH(prev_hash,merkle_root,nonce)# u, `$ {8 I" a! _# A( f: M
for i = 0 to 63 do
% Z, G1 Y4 E6 ^0 A1 p4 b    shifted_A = hash_output_A >> i$ }4 _/ i6 H) I1 U* w8 U, S
    transaction = shifted_A mod total_transactions
- v9 S2 ~/ B% N* y    txid = get_txit(transaction)
+ V, a2 s# G6 @- W2 ^可以看出,在进行了HASH运算后,还需要进行64轮的混淆(mix)运算,而混淆的源数据是区块链上的历史交易,矿工节点在运行此算法时,需要访问内存中的历史交易信息(这是内存消耗的来源),最终只有当 $final_output
6 \! q& m' I9 ]) T% qDagger-Hashimoto相比于Hashimoto,不同点在于混淆运算的数据源不是区块链上的历史交易,而是以特定算法生成的约1GB大小的数据集合(dataset),矿工节点在挖矿时,需要将这1GB数据全部载入内存。
3 @: {. G! i* g& s4 m: H; i  WEthash算法概要. b2 \2 r6 M; Y: K
矿工挖矿不再是仅仅将找到的nonce填入区块头,还需要填入一项MixDigest,这是在挖矿过程中计算出来的,它可以作为矿工的确在进行消耗内存挖矿工作量的证明。验证者在验证区块时也会用到这一项。先计算出约16MB大小的cache,约1GB的dataset由这约16MB的cache按特定算法生成,dataset中每一项数据都由cache中的256项数据参与生成,cache中的这256项数据可以看做是dataset中数据的parent。只所以是约,是因为其真正的大小是比16MB和1GB稍微小一点(为了好描述,以下将省略约)cache和dataset的内容并非不变,它每隔一个epoch(30000个区块)就需要重新计算cache和dataset的大小并非一成不变,16MB和1GB只是初始值,这个大小在每年会增大73%,这是为了抵消掉摩尔定律下硬件性能的提升,即使硬件性能提升了,那么最终计算所代表的工作量不会变化很多。结合上一条,那么其实每经过30000个区块,cache和dataset就会增大一点,并且重新计算全节点(比如矿工)会存储整个 cache和dataset,而轻客户端只需要存储 cache。挖矿(seal)时需要dataset在内存中便于随时存取,而验证(verify)时,只需要有cache就行,需要的dataset临时计算就行。" s3 @3 F& i8 o4 V/ \

0 S' [8 }7 t. UEthash源码解析. J% M. i& k* f1 s8 Q( o, e) ]
dataset生成
0 R2 C( L+ ]( E/ ^" C4 l7 Hdataset通过generate()方法生成,首先是生成cache,再从cache生成dataset% z5 _+ V- J% ^0 e# ^& ~1 x
挖矿(Seal)
) s# C* k2 A# I' W. k在挖矿与共识中提到了,共识算法通过实现Engine.Seal接口,来实现挖矿,Ethash算法也不例外。
6 C2 Y6 |; a( h# b$ g其顶层流程如下:
; [4 @- O% n9 V5 N  t) X( F/ I# Z4 Z" M& z+ _# e& D9 C
Seal调用中,启动一个go routine来调用ethash.mine()进行实际的挖矿,参数中的block是待挖掘的区块(已经打包好了交易),而nonce是一个随机值,作为挖矿过程尝试nonce的初始值。mine()调用首先计算后续挖矿需要的一些变量。hash为区块头中除了nonce和mixdigest的Hash值,dataset为挖掘这个区块时需要的混淆数据集合(占用1GB内存),target是本区块最终Hash需要达到的目标,它与区块难度成反比对本次尝试的nonce进行hashmotoFull()函数计算最终result(最终Hash值)和digest,如果满足target要求,则结束挖矿,否则增加nonce,再调用hashmotoFull()
/ x) W+ t* I1 i% u
* J* w, r" z! E& Z
func hashimotoFull(dataset []uint32, hash []byte, nonce uint64) ([]byte, []byte) {4 J4 b6 R- ^* l" o3 p  u* E
    lookup := func(index uint32) []uint32 {$ t4 u- W4 u: Y
        offset := index * hashWords5 P) `* C4 Y% r1 L5 W  i8 d& t$ Z% F
        return dataset[offset : offset+hashWords]5 K% p/ ?7 @) G/ t" f# f+ X" T) B  n
    }
1 ~0 x1 f. R" g( ~$ A) Y: B    return hashimoto(hash, nonce, uint64(len(dataset))*4, lookup)
9 Y& w0 H6 }1 i! N) A, U, f}
6 O5 R# s. v" u3 K* b8 thashmotoFull()是运算的核心,内部调用hashmoto(),第三个参数为dataset的大小(即1GB),第四个参数是一个lookup函数,它接收index参数,返回dataset中64字节的数据。2 z3 |+ a2 I7 t! U8 I( I
func hashimoto(hash []byte, nonce uint64, size uint64, lookup func(index uint32) []uint32) ([]byte, []byte) {2 Y% M' Q/ F! @& q6 z: m7 j
    // 将dataset划分为2维矩阵,每行mixBytes=128字节,共1073739904/128=8388593行4 _6 w9 ^& i1 {8 F/ _( p" O# Q9 o
    rows := uint32(size / mixBytes)' w' F$ w7 p5 v5 C, W: v+ U% L
    : A3 R4 H5 f5 C3 O# ?5 j
    // 将hash与待尝试的nonce组合成64字节的seed
7 _1 r: q3 e# m    seed := make([]byte, 40)
% Q: A' U: I" W4 C/ R1 v    copy(seed, hash)" D2 a! v  F: X
    binary.LittleEndian.PutUint64(seed[32:], nonce)
, ?7 s8 P/ y  F    seed = crypto.Keccak512(seed)- K0 B% V7 B' ], D! Y6 M6 L
    seedHead := binary.LittleEndian.Uint32(seed)
8 b+ l& e' p5 O/ {, F    // 将64字节的seed转化为32个uint32的mix数组(前后16个uint32内容相同)
3 V: D8 C  }6 _5 h    mix := make([]uint32, mixBytes/4), P  P: D; H4 r. I$ B% C
    for i := 0; i
/ |/ x6 s+ [# B) j% O7 F* o验证(Verify)
, T4 X/ i$ N" b验证时VerifySeal()调用hashimotoLight(),Light表明验证者不需要完整的dataset,它需要用到的dataset中的数据都是临时从cache中计算。) R2 S3 y7 w9 ~- F" y" m
func hashimotoLight(size uint64, cache []uint32, hash []byte, nonce uint64) ([]byte, []byte) {1 c; T  r% `% p* b6 n# J  c2 q
    keccak512 := makeHasher(sha3.NewKeccak512())8 ^' s/ f( o; _: S# ?
    //lookup函数和hashimotoFull中的不同,它调用generateDatasetItem从cache中临时计算4 c; x2 A) j5 A- u
    lookup := func(index uint32) []uint32 {+ d. u7 e7 q" {# [3 Z
        rawData := generateDatasetItem(cache, index, keccak512) //  return 64 byte0 ~4 t8 Z! m- r; v" ^/ k& X. I
        data := make([]uint32, len(rawData)/4) //  16 个 uint321 A5 i  A# l+ F  ]- |7 M
        for i := 0; i
4 X' x/ G. t8 `7 W0 A除了lookup函数不同,其余部分hashimotoFull完全一样
; c6 P& s0 Q" e/ Q总结& ~6 j4 }( ?) D* |  R
Ethash相比与Bitcoin的挖矿算法,增加了对内存使用的要求,要求矿工提供在挖矿过程中使用了大量内存的工作量证明,最终达到抵抗ASIC矿机的目的。( d% Z3 l' t7 k
5 \+ _; [( x! C
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