14 | PoW算法：有办法黑比特币吗？
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14 | PoW算法：有办法黑比特币吗？
2020-03-13 韩健 来自北京
《分布式协议与算法实战》
课程介绍
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讲述：于航
时长09:43大小8.90M
你好，我是韩健。
谈起比特币，你应该再熟悉不过了，比特币是基于区块链实现的，而区块链运行在因特网上，这就存在有人试图作恶的情况。学完01 讲和13 讲之后，有些同学可能已经发现了，口信消息型拜占庭问题之解、PBFT 算法虽然能防止坏人作恶，但只能防止少数的坏人作恶，也就是 (n - 1) / 3 个坏人 (其中 n 为节点数)。可如果区块链也只能防止一定比例的坏人作恶，那就麻烦了，因为坏人可以不断增加节点数，轻松突破 (n - 1) / 3 的限制。
那区块链是如何改进这个问题的呢？答案就是 PoW 算法。
在我看来，区块链通过工作量证明（Proof of Work）增加了坏人作恶的成本，以此防止坏人作恶。比如，如果坏人要发起 51% 攻击，需要控制现网 51% 的算力，成本是非常高昂的。为啥呢？因为根据 Cryptoslate 估算，对比特币进行 51% 算力攻击需要上百亿人民币！
那么为了帮你更好地理解和掌握 PoW 算法，我会详细讲解它的原理和 51% 攻击的本质。希望让你在理解 PoW 算法的同时，也了解 PoW 算法的局限。
首先我来说说 PoW 的原理，换句话说，就是 PoW 是如何运行的。
如何理解工作量证明？
什么是工作量证明 (Proof Of Work，简称 PoW) 呢？你可以这么理解：就是一份证明，用来确认你做过一定量的工作。比如，你的大学毕业证书就是一份工作量证明，证明你通过 4 年的努力完成了相关课程的学习。
那么回到计算机世界，具体来说就是，客户端需要做一定难度的工作才能得出一个结果，验证方却很容易通过结果来检查出客户端是不是做了相应的工作。
比如小李来 BAT 面试，说自己的编程能力很强，那么他需要做一定难度的工作（比如做个编程题）。根据做题结果，面试官可以判断他是否适合这个岗位。你看，小李做个编程题，面试官核验做题结果，这就是一个现实版的工作量证明。
具体的工作量证明过程，就像下图中的样子：
请求方做了一些运算，解决了某个问题，然后把运算结果发送给验证方，进行核验，验证方根据运算结果，就能判断请求方是否做了相关的工作。
需要你注意的是，这个算法具有不对称性，也就是说，工作对于请求方是有难度的，对于验证方则是比较简单的，易于验证的。
既然工作量证明是通过指定的结果，来证明自己做过了一定量的工作。那么在区块链的 PoW 算法中需要做哪些工作呢？答案是哈希运算。
区块链是通过执行哈希运算，然后通过运算后的结果值，证明自己做过了相关工作。为了帮你更好地理解哈希运算，在介绍哈希运算之前，咱们先来聊一聊哈希函数。
哈希函数（Hash Function），也叫散列函数。就是说，你输入一个任意长度的字符串，哈希函数会计算出一个长度相同的哈希值。假设我们对任意长度字符串（比如"geektime"）执行 SHA256 哈希运算，就会得到一个 32 字节的哈希值，就像下面的样子：
那我们如何通过哈希函数进行哈希运算，从而证明工作量呢？为了帮你理解这部分内容，我举个具体的例子。
我们给出的工作量要求是，基于一个基本的字符串（比如"geektime"），你可以在这个字符串后面添加一个整数值，然后对变更后（添加整数值) 的字符串进行 SHA256 哈希运算，如果运算后得到的哈希值（16 进制形式）是以"0000"开头的，就验证通过。为了达到这个工作量证明的目标，我们需要不停地递增整数值，一个一个试，对得到的新字符串进行 SHA256 哈希运算。
按照这个规则，我们需要经过 35024 次计算，才能找到恰好前 4 位为 0 的哈希值。
通过这个示例你可以看到，工作量证明是通过执行哈希运算，经过一段时间的计算后，得到符合条件的哈希值。也就是说，可以通过这个哈希值，来证明我们的工作量。
关于这个规则，我也想多说几句，这个规则不是固定的，在实际场景中，你可以根据场景特点，制定不同的规则，比如，你可以试试分别运行多少次，才能找到恰好前 3 位和前 5 位为 0 的哈希值。
现在，你对工作量证明的原理应该有一定的了解了，那么有同学肯定好奇了，在区块链中是如何实现工作量证明的呢？
区块链如何实现 PoW 算法的？
区块链也是通过 SHA256 来执行哈希运算的，通过计算出符合指定条件的哈希值，来证明工作量的。因为在区块链中，PoW 算法是基于区块链中的区块信息，进行哈希运算的，所以我先带你回顾一下区块链的相关知识。
区块链的区块，是由区块头、区块体 2 部分组成的，就像下图中的样子。
区块头（Block Head）：区块头主要由上一个区块的哈希值、区块体的哈希值、4 字节的随机数（nonce）等组成的。
区块体（Block Body）：区块包含的交易数据，其中的第一笔交易是 Coinbase 交易，这是一笔激励矿工的特殊交易。
我想说的是，拥有 80 字节固定长度的区块头，就是用于区块链工作量证明的哈希运算中输入字符串，而且通过双重 SHA256 哈希运算（也就是对 SHA256 哈希运算的结果，再执行一次哈希运算），计算出的哈希值，只有小于目标值（target），才是有效的，否则哈希值是无效的，必须重算。
学到这儿你可以看到，在区块链中是通过对区块头执行 SHA256 哈希运算，得到小于目标值的哈希值，来证明自己的工作量的。
计算出符合条件的哈希值后，矿工就会把这个信息广播给集群中所有其他节点，其他节点验证通过后，会将这个区块加入到自己的区块链中，最终形成一串区块链，就像下图的样子：
最后，我想说的是，算力越强，系统大概率会越先计算出这个哈希值。这也就意味着，如果坏人们掌握了 51% 的算力，就可以发起 51% 攻击，比如，实现双花（Double Spending），也就是说，同一份钱花 2 次。
具体说的话，就是攻击者掌握了较多的算力，能挖掘一条比原链更长的攻击链，并将攻击链向全网广播，这时呢，按照约定，节点将接受更长的链，也就是攻击链，丢弃原链。就像下图的样子：
需要你注意的是，即使攻击者只有 30% 的算力，他也有可能连续计算出多个区块的哈希值，挖掘出更长的攻击链，发动攻击； 另外，即使攻击者拥有 51% 的算力，他也有可能半天无法计算出一个区块的哈希值，也就是攻击失败。也就是说，能否计算出符合条件的哈希值，有一定的概率性，但长久来看，攻击者攻击成功的概率等同于攻击者算力的权重。
内容小结
以上就是本节课的全部内容了，本节课我主要带你了解了 PoW 算法的原理，和 51% 攻击，我希望你明确这样几个重点。
在比特币的区块链中，PoW 算法，是通过 SHA256 进行哈希运算，计算出符合指定条件的哈希值，来证明工作量的。
51% 攻击，本质是因为比特币的区块链约定了“最长链胜出，其它节点在这条链基础上扩展”，攻击者可以通过优势算力实现对最长链的争夺。
除了通过 PoW 算法，增加坏人作恶的成本，比特币还通过“挖矿得币”奖励好人，最终保持了整个系统的运行稳定。
因为本讲是拜占庭容错算法的最后一讲，我想多说几句：学完了 01 讲的同学，应该还记得，我们提到 Raft 算法是非拜占庭容错算法。那么如果我们把 Raft 算法用于拜占庭场景中，会怎么样呢？
比如，在比特币中，我们采用了 Raft 算法实现共识，而不是基于 PoW 算法的区块链，那么，就会出现这样的情况，当恶意节点当选为领导者后，他可以不断地告诉其他节点，这些比特币都是我的，按照 Raft 的约定，其他节点也就只能接受这种情况，谁让恶意节点是领导者呢？最终就会出现，所有的比特币都被恶意节点盗走的情况，完全乱套了。
另外我想说的是，因为拜占庭容错算法（比如 PoW 算法、PBFT 算法），能容忍一定比例的作恶行为，所以它在相对开放的场景中应用广泛，比如公链、联盟链。非拜占庭容错算法（比如 Raft）无法对作恶行为进行容错，主要用于封闭、绝对可信的场景中，比如私链、公司内网的 DevOps 环境。我希望你能准确理解 2 类算法之间的差异，根据场景特点，选择合适的算法，保障业务高效、稳定的运行。
课堂思考
既然，我提了如何通过计算得到"0000"开头的哈希值，来做实现工作量证明，那么你不妨思考下，如果约定是更多“0”开头的哈希值，比如“00000000”，工作量是增加了还是减少了，为什么呢？欢迎在留言区分享你的看法，与我一同讨论。
最后，感谢你的阅读，如果这篇文章让你有所收获，也欢迎你将它分享给更多的朋友。
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精选留言(15)
小晏子2020-03-13课后思考：应该是工作量增加了，根据概率来算，前4位是0的概率是（1/10）^4，更多的零就意味着1/10的指数更大，那么能获取到这个数的概率就越小，这样工作量也就越大。作者回复: 加一颗星:)
共 2 条评论9
沉淀的梦想2020-03-13约定更多的 0，从概率上讲应难度增加了吧，因为所有 5 个 0 的哈希肯定也都满足 4 个 0作者回复: 加一颗星:)
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qinsi2020-03-13理论上selfish mining只需25%算力就能发起攻击，尽管一开始算力不占多数，但可以吸引其他节点一起加入，最终超过50%作者回复: 加一颗星:)
3
每天晒白牙2020-03-13工作量增加，通过哈希算法计算出连续8个零的概率低，需要做的工作量自然就高作者回复: 加一颗星:)
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核桃2021-12-18这里有两个疑惑. 1.什么是目标值？这里似乎没有前文，理解不了。 2. 工作量计算这里，例如前n个零，数学上能保证哈希之后，一定可以得到吗？如果有可能无法哈系得到呢？是否会出现这样的情况。 多谢了1
kevin2021-06-28通过对区块头执行 SHA256 哈希运算，得到小于目标值的哈希值，来证明自己的工作量的 — 为什么是经过两轮hash就会算出小于目标值
Heaven2020-08-18理论上是增加了,因为000000包含了0000,所以理应更加难以计算作者回复: 加一颗星:)
宁悦2020-05-23增加了工作量，5个零的情况是包含4个零的情况的。通过估计全世界大约有多少台计算机，这个数目的倒数就决定了前面有多少个零，计算机越多，要求前面的零就越多。
竹马彦四郎的好朋友影...2020-05-06pow算法中能确实证明工作量是该算法的根本，所以如果NP=P的话，区块链就亡了作者回复: 加一颗星:)
Kvicii.Y2020-03-28是矿工挖到了之后进行工作量的哈希计算，满足条件再向区块链广播吗？作者回复: 加一颗星:)，是的
阿卡牛2020-03-26现实中有哪些基于签名的消息型解决算法？作者回复: 签名消息型拜占庭问题之解，比较理论化，属于“早期”的算法，难在实际场景中落地。在现实中，常用的是PBFT，它的消息，也是签名消息。
丁乐洪2020-03-18工作量 算力作者回复: 加一颗星:)，通过算力实现工作量证明。
Dovelol2020-03-14老师好，想问下，假如pow算法中链的目前节点是5个，我要计算出一个新节点，要求是“计算出的哈希值，小于目标值”，这个计算出的哈希值要小于哪个目标值呢？是所有5个节点还是某个节点？作者回复: 加一颗星:)，指定节点，每个区块头nbits字段，根据这个字段能计算出相应的目标值。
共 2 条评论
忆水寒2020-03-13应该是增加了工作量吧作者回复: 加一颗星:)
坤2020-03-13全网难度是动态调整的，落到工作量上从概率上讲是增加了。作者回复: 加一颗星:)