以太坊挖矿原理

Posted 2020-10-08 shaotine

以太坊的共识机制是 PoW(Proof of Work 工作量证明机制)，使用的算法是Ethash,这种算法是对 Dagger-Hashimoto算法的改良版本，流程大概如下

1.对于每一个块，首先计算一个种子(seed)，该种子只和当前块的信息有关;然后根据种子生成一个32M的随机数据集（cache）

2. 根据Cache生成一个1GB大小的数据集合DAG(有向非循环图)，它是一个完整的搜索空间，挖矿的过程就是从DAG中随机选择元素(类似于比特币挖矿中查找合适Nonce)再进行哈希运算，可以从Cache快速计算DAG指定位置的元素，进而哈希验证

要求对Cache和DAG进行周期性更新，每1000个块更新一次，并且规定DAG的大小随着时间推移线性增长，从1G开始，每年大约增长7G左右。

为了更好的了解这部分。我们可以简单的看下 go-ethereum 的代码

1. 在 miner.go里调用 New方法生成一个矿工。

 

/**
   利用区块链创建时候的一些配置，以及共识引擎consensus.Engine等参数先是生成一个矿工，然后
   让矿工注册一个cpu运算引擎，同时通过 update 来监听同步状态并更新挖矿状态
**/
func New(eth Backend, config *params.ChainConfig, mux *event.TypeMux, engine consensus.Engine) *Miner {
	miner := &Miner{
		eth:      eth,
		mux:      mux,
		engine:   engine,
		worker:   newWorker(config, engine, common.Address{}, eth, mux),
		canStart: 1,
	}
	miner.Register(NewCpuAgent(eth.BlockChain(), engine))
	go miner.update()

	return miner
}

 

在update方法里有一个需要注意：

case downloader.StartEvent:
			atomic.StoreInt32(&self.canStart, 0)
			if self.Mining() {
				self.Stop()
				atomic.StoreInt32(&self.shouldStart, 1)
				log.Info("Mining aborted due to sync")
			}

　可以看到如果当前处于 区块的同步中，则挖矿的操作需要停止，直到同步操作结束（同步成功或是失败），如果原来已经执行了挖矿操作的，则继续开启挖矿操作。

2.在 Register方法中调用worker的Agent接口里的Start方法,该方法在agent.go里实现。在agent.go里调用 mine进行挖矿操作。

func (self *CpuAgent) mine(work *Work, stop <-chan struct{}) {
       //调用Seal接口，在sealer.go里实现，进行Ethash算法的实现
	if result, err := self.engine.Seal(self.chain, work.Block, stop); result != nil {
		log.Info("Successfully sealed new block", "number", result.Number(), "hash", result.Hash())
		self.returnCh <- &Result{work, result}
	} else {
		if err != nil {
			log.Warn("Block sealing failed", "err", err)
		}
		self.returnCh <- nil
	}
}

3. 在sealer.go的miner进行挖矿和结果比对，查找是否挖矿成功。

   通过256/difficulty 生成一个target值，该值用于后面和计算出来的随机数比较，如果计算出来的随机数比target更小，则挖矿成功。同时通过当前所在的区块号，生成一个完整的dataset。

      var (
               
	        //target的计算方法是 256/difficulty 的一个int值
		target = new(big.Int).Div(maxUint256, header.Difficulty)

                //当前是第几块
		number  = header.Number.Uint64()
                //生成一个dataset,也就是我们说的搜索或是匹配空间
		dataset = ethash.dataset(number)
	)

　具体过程如下：

  1）通过number号得到当前块处于第几个epoch.(每30000个区块为一个epoch,时间窗口为125小时，大约5.2天)，通过所在的epoch为索引获取当前内存中是否有dataset

  2)如果没有,先会看内存里的总dataset是否大于 dagsinmemory(默认为1)，如果大于，则需要把最早的一个dataset删除

  3）同时查看是否有pre-generated dataset cache,该数据存在与磁盘空间中。如果有这个数据，并且和当前区块在同一个 epoch. 就用这个pre-generated dataset作为当前dataset.

  4）如果上述不符合,则重新生成一个dataset. 如果在这个过程中，发现原来pre-generated dataset为空，或是它的epoch和当前所在区块的epoch不一致，则需要用新生成的dataset作为pre-generated dataset，赋值给它

   5） 生成dataset后，通过dataset，利用keccak512算法，生成一个1GB大小的数据集合DAG

   6） 接下来就是不停循环的利用hashimoto算法(基于Keccak256算法)计算出一个结果值，然后和target进行比较。如果比target小则成功，否则就继续