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挖矿算法

本文介绍挖矿究竟是一种怎样的过程，哈希算法是如何工作的。

MVC的POW挖矿是一种数学运算，矿工通过不断尝试不同的随机数来计算区块头的哈希值 ，直到找到一个符合难度目标 的哈希值，找到难度目标的哈希值的矿工会获得区块奖励以及交易手续费奖励。这个通过哈希计算获取奖励过程就是POW挖矿。

区块头（hash的对象）结构如下：

区块头的结构

挖矿过程​

矿工通过挖矿产出区块，打包交易以及最后获得奖励的大致流程如下：

  1. 交易验证： 当MVC交易发生时，交易会被广播到一个计算机网络（节点）中。这些交易会进入内存池并准备被打包进入下一个区块。随着交易的增加，矿工会维护一个交易列表所计算出的merkle树根哈希值，它会被放入区块头中准备进行挖矿计算。
  2. 解题： 矿工使用强大算力的矿机，对组装好的区块头进行hash运算，在MVC和MVC中，这种运算是SHA256算法。矿工不断尝试不同的随机数（nonce）来计算区块头的哈希值，直到找到一个符合网络难度目标的哈希值。满足难度目标的特点就是哈希值的前面有一定数量的0。0越多难度越大，发现区块的概率越小。
  3. 哈希函数：矿工挖矿中使用的特定函数是SHA-256（Secure Hash Algorithm 256-bit）。矿工不断输入不同的nonce值（随机数）到SHA-256算法中，以生成一个符合网络设定的难度目标的哈希值。
  4. 难度调节: 随着区块产出的速度不同，网络会根据区块产出的速度调整难度目标，使得平均每10分钟产生一个区块。不同的区块链网络有不同的调整难度的规则。MVC使用的是和BCH相同的ASERT-DAA算法。
  5. 区块奖励: 矿工构建的区块包含一笔交易，它只有输出没有输入，这笔交易的输出地址是矿工的地址，这笔交易的输出金额是区块奖励加上交易手续费。矿工找到符合难度目标的哈希值后，会将这个区块广播到网络中，其他节点会验证这个区块的合法性，如果合法，这个区块就会被加入到区块链中，矿工就会获得区块奖励和交易手续费。
  6. 区块加入到网络中: 其他节点会验证这个区块的合法性，如果合法，这个区块就会被加入到区块链中，矿工就会获得区块奖励和交易手续费。

哈希算法​

哈希算法（Hash Algorithm）是一种将输入数据（无论大小）转换为固定长度字符串的算法。这些字符串称为“哈希值”或“哈希码”。哈希算法在计算机科学和密码学中有广泛的应用，具有以下功能、特点和用途：

功能​

  1. 数据完整性验证：哈希算法可以用来验证数据的完整性。通过比较原始数据和传输后数据的哈希值，可以检测数据是否被篡改。
  2. 快速数据检索：哈希表（Hash Table）使用哈希函数来快速查找数据，通过将数据映射到哈希值，可以显著提高检索效率。
  3. 密码学应用：在密码学中，哈希算法用于生成消息摘要（Message Digest），这些摘要用来保证信息的完整性和验证消息的真实性。

特点​

  1. 不可逆性：哈希算法是单向函数，即从哈希值无法逆推出原始数据。这使得哈希算法在密码学中非常有用。

  2. 固定长度输出：无论输入数据的大小如何，哈希值总是固定长度。例如，SHA-256总是产生256位的哈希值。

  3. 碰撞抗性：理想情况下，不同的输入数据不应该产生相同的哈希值（称为碰撞）。好的哈希算法会最大程度上减少碰撞的可能性。

  4. 快速计算：哈希函数计算速度快，适用于需要快速处理大量数据的应用场景。

    hash-algorithm.png

常见哈希算法​

  1. MD5（Message-Digest Algorithm 5）：生成128位哈希值，已被认为不够安全，不推荐用于安全应用。
  2. SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）：生成160位哈希值，已被证明存在安全漏洞，不推荐用于安全应用。
  3. SHA-256：生成256位哈希值，属于SHA-2家族的一部分，广泛用于各种安全应用。MVC挖矿所使用的哈希算法就是这一种。
  4. SHA-3：最新的安全哈希算法标准，设计用于提供更高的安全性。

用途​

  1. 数据完整性验证：文件传输和存储过程中，使用哈希值验证数据完整性。例如，下载文件时提供的哈希值可以用来验证文件是否被篡改。
  2. 密码存储：密码在存储时通常使用哈希算法进行处理，存储哈希值而非明文密码，增强安全性。
  3. 数字签名：在数字签名中，哈希算法用于生成消息摘要，确保消息的完整性和真实性。
  4. 区块链：在区块链技术中，哈希算法用于生成区块的哈希值，确保链条的不可篡改性。

哈希算法因其不可逆性、固定长度输出和碰撞抗性等特点，在信息安全和数据处理领域具有重要作用。

MVC和比特币使用的是SHA-256（Secure Hash Algorithm 256-bit）属于SHA-2（Secure Hash Algorithm 2）家族，是目前广泛使用的安全哈希算法之一。SHA-256生成256位（32字节）的哈希值，具有快速计算、固定长度输出和碰撞抗性等特点，适用于各种安全应用场景。

安全和公平​

哈希算法在POW公链中极大程度上保证了网络的安全性和公平性。具体来说，哈希算法通过以下几种方式来保证区块链的安全性：

1. 区块链的完整性和不可篡改性​

  • 哈希链：每个区块都包含上一个区块的哈希值，形成一个链条。如果任何区块的数据被篡改，该区块的哈希值将发生变化，这将导致所有后续区块的哈希值也发生变化，从而使整个链条无效。这种设计使得篡改区块链上的数据变得极其困难，因为篡改一个区块需要重新计算其后的所有区块的哈希值。

2. 工作量证明（Proof of Work）​

  • 工作量证明机制：MVC使用SHA-256哈希算法作为其工作量证明（PoW）机制的一部分。矿工需要解决一个复杂的数学难题，即找到一个符合特定条件的哈希值（通常是哈希值的前若干位必须是零）。这种计算需要大量的计算能力和时间，从而防止轻易攻击网络。
  • 防止双重支付：通过工作量证明，攻击者很难同时控制网络的大量计算能力。这意味着攻击者几乎不可能重新组织链条以实现双重支付，因为这需要重新计算并验证大量区块。

3. 数据完整性和防篡改​

  • 交易验证：MVC交易数据在广播到网络时会被打包到区块中。每个交易都会被哈希处理，确保数据的完整性和防篡改。如果交易数据被篡改，其哈希值将不再匹配，从而使篡改行为被轻易检测到。
  • 梅克尔树（Merkle Tree）：每个区块中的交易数据通过梅克尔树进行组织。梅克尔树是一种二叉树结构，通过将交易的哈希值不断两两组合生成上层节点的哈希值，直到生成一个根哈希值（Merkle Root）。这种结构使得任何单个交易的数据变化都会影响根哈希值，从而确保交易数据的完整性。

4. 防止预映射攻击和碰撞攻击​

  • 抗预映射攻击：SHA-256设计用于防止预映射攻击。即使攻击者拥有大量预先计算的哈希值和对应的原始数据，对SHA-256的攻击仍然是不可行的。
  • 抗碰撞攻击：SHA-256具有很强的抗碰撞能力，几乎不可能找到两组不同的数据生成相同的哈希值。这确保了MVC交易和区块的唯一性和安全性。

5. 矿工的奖励和激励机制​

  • 区块奖励和交易费：矿工通过解决工作量证明难题获得MVC奖励和交易费。只有第一个成功解决难题并验证新区块的矿工可以获得奖励，这激励矿工诚实工作并维护网络的安全性。

总结​

使用哈希算法进行挖矿是POW公链的核心机制，也是确保网络安全和公平的重要手段。哈希算法通过工作量证明、数据完整性验证、防篡改机制、抗攻击能力等方式，保证了区块链的安全性和可靠性。SHA-256作为一种安全、快速、抗碰撞的哈希算法，为MVC挖矿提供了坚实的基础，确保了网络的稳定运行和矿工的奖励激励。