PoW挖矿算法原理及其在比特币、以太坊中的实现

　　PoW，全称Proof of Work，即工作量证明，又称挖矿。大部分公有链或虚拟货币，如比特币、以太坊，均基于PoW算法，来实现其共识机制。即根据挖矿贡献的有效工作，来决定货币的分配。

　　比特币区块由区块头和该区块所包含的交易列表组成。区块头大小为80字节，其构成包括：

　　 4字节：版本号
　　32字节：上一个区块的哈希值
　　32字节：交易列表的Merkle根哈希值
　　 4字节：当前时间戳
　　 4字节：当前难度值
　　 4字节：随机数Nonce值

　　此80字节长度的区块头，即为比特币Pow算法的输入字符串。
　　交易列表附加在区块头之后，其中第一笔交易为矿工获得奖励和手续费的特殊交易。

　　bitcoin-0.15.1源码中区块头和区块定义：

　　Pow的过程，即为不断调整Nonce值，对区块头做双重SHA256哈希运算，使得结果满足给定数量前导0的哈希值的过程。
　　其中前导0的个数，取决于挖矿难度，前导0的个数越多，挖矿难度越大。

　　具体如下：

　　1、生成铸币交易，并与其它所有准备打包进区块的交易组成交易列表，生成Merkle根哈希值。
　　2、将Merkle根哈希值，与区块头其它字段组成区块头，80字节长度的区块头作为Pow算法的输入。
　　3、不断变更区块头中的随机数Nonce，对变更后的区块头做双重SHA256哈希运算，与当前难度的目标值做比对，如果小于目标难度，即Pow完成。

　　Pow完成的区块向全网广播，其他节点将验证其是否符合规则，如果验证有效，其他节点将接收此区块，并附加在已有区块链之后。之后将进入下一轮挖矿。

　　bitcoin-0.15.1源码中Pow算法实现：
　　另附bitcoin-0.15.1源码中生成铸币交易和创建新块：

　　每创建2016个块后将计算新的难度，此后的2016个块使用新的难度。计算步骤如下：

　　1、找到前2016个块的第一个块，计算生成这2016个块花费的时间。
即最后一个块的时间与第一个块的时间差。时间差不小于3.5天，不大于56天。
　　2、计算前2016个块的难度总和，即单个块的难度x总时间。
　　3、计算新的难度，即2016个块的难度总和/14天的秒数，得到每秒的难度值。
　　4、要求新的难度，难度不低于参数定义的最小难度。

　　bitcoin-0.15.1源码中计算挖矿难度代码如下：

　　以太坊区块由Header和Body两部分组成。

　　其中Header部分成员如下：
　　ParentHash，父区块哈希
　　UncleHash，叔区块哈希，具体为Body中Uncles数组的RLP哈希值。RLP哈希，即某类型对象RLP编码后做SHA3哈希运算。
　　Coinbase，矿工地址。
　　Root，StateDB中state Trie根节点RLP哈希值。
　　TxHash，Block中tx Trie根节点RLP哈希值。
　　ReceiptHash，Block中Receipt Trie根节点的RLP哈希值。
　　Difficulty，区块难度，即当前挖矿难度。
　　Number，区块序号，即父区块Number+1。
　　GasLimit，区块内所有Gas消耗的理论上限，创建时指定，由父区块GasUsed和GasLimit计算得出。
　　GasUsed，区块内所有Transaction执行时消耗的Gas总和。
　　Time，当前时间戳。
　　Nonce，随机数Nonce值。

　　有关叔区块：
　　叔区块，即孤立的块。以太坊成块速度较快，导致产生孤块。
　　以太坊会给发现孤块的矿工以回报，激励矿工在新块中引用孤块，引用孤块使主链更重。在以太坊中，主链是指最重的链。

　　有关state Trie、tx Trie和Receipt Trie：
　　state Trie，所有账户对象可以逐个插入一个Merkle-PatricaTrie(MPT)结构中，形成state Trie。
　　tx Trie：Block中Transactions中所有tx对象，逐个插入MPT结构中，形成tx Trie。
　　Receipt Trie：Block中所有Transaction执行后生成Receipt数组，所有Receipt逐个插入MPT结构中，形成Receipt Trie。

　　Body成员如下：
　　Transactions，交易列表。
　　Uncles，引用的叔区块列表。

　　go-ethereum-1.7.3源码中区块头和区块定义：

　　以太坊Pow算法可以表示为如下公式：
　　RAND(h, n)
　　其中RAND()表示一个概念函数，代表一系列的复杂运算。
　　其中h和n为输入，即区块Header的哈希、以及Header中的Nonce。
　　M表示一个极大的数，此处使用2^256-1。
　　d，为区块难度，即Header中的Difficulty。

　　因此在h和n确定的情况下，d越大，挖矿难度越大，即为Difficulty本义。
　　即不断变更Nonce，使RAND(h, n)满足RAND(h, n)
　　go-ethereum-1.7.3源码中Pow算法实现：

　　以太坊每次挖矿均需计算当前区块难度。
　　按版本不同有三种计算难度的规则，分别为：calcDifficultyByzantium（Byzantium版）、calcDifficultyHomestead（Homestead版）、calcDifficultyFrontier（Frontier版）。此处以calcDifficultyHomestead为例。

　　计算难度时输入有：
　　parent_timestamp：父区块时间戳
　　parent_diff：父区块难度
　　block_timestamp：当前区块时间戳
　　block_number：当前区块的序号

　　当前区块难度计算公式，即：

　　其中//为整数除法运算符，a//b，即先计算a/b，然后取不大于a/b的最大整数。

　　调整难度的目的，即为使挖矿时间保持在10-19s期间内，如果低于10s增大挖矿难度，如果大于19s将减小难度。另外，计算出的当开发云主机域名前区块难度不应低于以太坊创世区块难度，即131072。

　　go-ethereum-1.7.3源码中计算挖矿难度代码如下：

　　Pow算法概念简单，即工作端提交难以计算但易于验证的计算结果，其他节点通过验证这个结果来确信工作端完成了相当的工作量。
　　但其缺陷也很明显：1、随着节点将CPU挖矿升级为GPU、甚至矿机挖矿，节点数和算力已渐渐失衡；2、比特币等网络每秒需完成数百万亿次哈希计算，资源大量浪费。
　　为此，业内提出了Pow的替代者如PoS权益证明算法，即要求用户拥有一定数量的货币，才有权参与确定下一个合法区块。另外，相对拥有51%算力，购买超过半数以上的货币难度更大，也使得恶意***更加困难。

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