Day 20 - Proof-Of-Work （內有空投活動）

14th鐵人賽 ethereum blockchain bitcoin proof of work

ALu

2022-09-20 00:00:16

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Proof-Of-Work

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Synchronization Link Tree

Intro

Proof Of Work 是一種區塊鏈結點們取得共識的過程，在一筆交易於鏈上發起時並不會馬上完成，而是會進入一種未完成的 Pending 狀態，這時候交易會被存在 MemPool 中等待礦工的打包與驗證。打包交易時礦工會挑出手續費最優渥的交易，確認其簽名正確和合法，最後才開始解 POW（隨意猜想 Nonce 然後計算 Hash(pre-block-hash | Tx | nonce)，當 Hash 結果小於 targetNum 時代表挖礦成功），過程之中系統可以藉由調整 Hash Function 來調整挖礦難度。

雖然 PoW 即將從以太坊上消失，但我覺得這仍然是一個了解區塊鏈原理和 Nonce 的好機會，所以仍選擇在 2.0 上線之際介紹 PoW！

除了 PoW 還有大家知道以太坊即將進入的 PoS 和其他共識機制，以及礦工除了從 PoW 中獲利之外，其實還可以從 MEV 部分探討礦工獲利！但關於 ETH2.0 的 PoS、其他共識機制、MEV 等主題可能都會讓這次系列文篇幅變得過大，希望大家可以關注我的 Medium，未來可能也會提到相關的內容！

Proof-Of-Work

Nonce

Proof-Of-Work 中的 Nonce 即為在每個 block 中的隨機數，長度為 32-bit (4-byte)，被用來證明 "Proof of Work" 已經被滿足了。他可以是一個數學題目的結果，但理論上需要跟運算技巧無關而是一個必須重複嘗試（窮舉）的值。

Progress

我們可以先來看看 Bitcoin 之中的 PoW 是如何運作的，待會再來比較跟 Ethereum 的差別。

從 Tx Pool 這樣一個 Pending Pool 裡面蒐集交易，並且製造一個完整且大小不超過 1 MB 的區塊。
用 double-SHA256 計算 Block Header（Version + Previous Block Hash + Merkle Root + Timestamp + Difficulty Bits + Nonce），關於 Block Header 我們等下講。
比較第二步的結果是不是能算出 0 開頭的 hash 值（實務上小於 hash target value），如果不是就把 nonce + 1 或進行調整，並且回到前面步驟重來。
持續比較 hashing result 與 target number，值到 hash 小於 target。
只要礦工們發現有計算成功的區塊被廣播到各個節點，他們可以自行去對其進行運算（對其做一次 SHA-256 後確認符合區塊難度即可），如果大家都同意這樣的區塊是合法的，打包該區塊的礦工就能夠獲得獎勵。
如果有一個強大算力的節點加入或者有人退出，而區塊建立時間就有可能變少。
- 為了讓出塊時間維持在 10min，大約每兩個禮拜或說 2016 個區塊，區塊難度就會被調整。
- 增加區塊難度意味著將 target 值降低，在比特幣創世區塊中設定了 10 個 0 的 target，也就是："0000000000HEX"，可以理解到如果把前方的 0 位數增加，那要低於這個值就越困難，礦工得要窮舉的次數與時間就會變多。
當兩個區塊同時遞交給節點，則算力較高的礦工（由區塊難度判斷）會被選擇。

當然這邊的難度不代表我們可以精準判斷一個礦工算了這個 hash 幾次，只能判斷「機率」為多少

在比特幣系統裡面有一些規則來維持系統穩定及安全，例如：最長鏈原則、10 min 內只能有一個礦工打包成功、所有節點會接收成功區塊的廣播並自行驗證一次等。此外打包成功的獎勵每產出 21 萬個區塊（每四年）減半一次，最原始是 50 顆比特幣作為獎勵，2021 年以後獎勵為 6.25 顆。

Block

已知一個區塊構造中有一個 Block Header，他儲存了 Version + Previous Block Hash + Merkle Root + Timestamp + Difficulty Bits + Nonce 等元素。其中 Merkle Root 是我們沒有解釋過的，他其實就是將所有的交易當作 Merkle Tree 的葉子，將成一棵 Merkle Tree 之後把 Merkle Root 存到這，基本上就是一個元素子集合的哈希最終值。Merkle Tree 對有 CS 背景的朋友們應該非常熟悉，這邊就不介紹這個資料結構了。

Merkle Root 可以做為 Merkle Proof 被提交之後的 Verify 值，也就是當你想要證明一個交易在這個區塊中，你只需要把這筆交易的資訊 + 他的 Merkle Proof 丟進 Verify()，看結果是否與 Merkle Root 相同即可。

Block Difficulty

區塊難度是在每一個節點中獨立發生的，為了要讓新區塊的產生速度都維持在每十分鐘一塊每 2016 個區塊區塊難度會自動調整一次，NewDifficulty = OldDifficulty * ( Past2016TotalConsumeTime / 2016)。

而目標值的計算則為：Target = 0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF / NowDifficulty

Comparision

基本上以太坊之中的 PoW 和 Bitcoin 相差無幾，需要注意的是 nonce 這個詞在 account 和 contract 都有，我們之前也有提過了。

Progress in Ethereum

用戶會使用他們的私鑰去簽核一筆交易（單純匯錢或者與智能合約互動）
用戶透過 Provider 將其交易送到以太坊網路的節點上，進入 mempool 等待打包與驗證。
偵測到新的交易進來時，每個節點就會開始利用他們的 local mempool，也就是交易列表，來去驗證這筆交易是否合法。
在挑選交易組合的時候，礦工會選擇挑能夠獲得最高手續的組合，這部分就與 MEV 息息相關（不只是 gas fee，你也能在智能合約中直接把錢匯給礦工，這也算在 MEV 中，但今天不討論），挑選完之後就會開始：
1. 驗證交易合法性，將其內部的程式碼進行執行（如果有的話）並根據結果修改區塊中的狀態（State）。這部分還停留在他們 Local 建立的區塊，不是最後整個的以太坊網路的狀態。
2. 當區塊內部的交易與程式碼都被徹底執行之後，礦工可以開始進行 PoW 的工作，爭取將這個區塊推上主網的機會。
最後如果礦工獲得廣播這個區塊的機會，就可以把它廣播給其他節點。
其他節點如果聆聽到這個新區塊，就會去驗證這個區塊的合法性，也就是把所有交易跑一次以及確認 EVM State 的 checksum。
如果這個新區塊是合法的，那礦工們（節點）就把自己正在嘗試建立的區塊（Local Mempool）刪掉，等待下一次機會。
如果有新節點想要加入，則把所有的區塊資料都下載下來，然後初始化 EVM 方便未來跑狀態更新的程式碼。