死磕共识算法|pow算法

配合以下代码进行阅读：https://github.com/blockchainGuide/

写文不易，给个小关注，有什么问题可以指出，便于大家交流学习。

概述

工作量证明(Proof Of Work，简称POW)，简单理解就是一份证明，用来确认你做过一定量的工作。监测工作的整个过程通常是极为低效的，而通过对工作的结果进行认证来证明完成了相应的工作量，则是一种非常高效的方式。比如现实生活中的毕业证、驾驶证等等，也是通过检验结果的方式（通过相关的考试）所取得的证明。

工作量证明系统（或者说协议、函数），是一种应对拒绝服务攻击和其他服务滥用的经济对策。它要求发起者进行一定量的运算，也就意味着需要消耗计算机一定的时间。这个概念由Cynthia Dwork 和Moni Naor 1993年在学术论文中首次提出。而工作量证明（POW）这个名词，则是在 1999 年 Markus Jakobsson 和Ari Juels的文章中才被真正提出。

主流POW共识使用的哈希算法

实际不同的POW共识的核心就是不同的哈希算法，已经有很多Hash函数被设计出来并广泛应用，不过Hash函数一般安全寿命都不长，被认为安全的算法往往没能使用多久就被成功攻击，新的更安全的算法相继被设计出来，而每一个被公认为安全可靠的算法都有及其严格的审计过程。在币圈中我们经常说某某币发明了某种算法，其实主要都是使用那些被认证过的安全算法，或是单独使用，或是排列组合使用。

SHA256

SHA-2，名称来自于安全散列算法2（英语：Secure Hash Algorithm 2）的缩写，一种密码散列函数算法标准，由美国国家安全局研发，属于SHA算法之一，是SHA-1的后继者。SHA-2下又可再分为六个不同的算法标准。包括了：SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。

具体的算法解释请查看此文：区块链技术栈全景分析

SCRYPT

Scrypt是内存依赖型的POW算法，莱特币采用此算法。第一个使用Scrypt算法的数字货币是Tenebrix，而后该算法被莱特币使用。莱特币创始人在莱特币创世帖中介绍了莱特币采用的共识机制，挖矿算法，发行总量，挖矿难度等相关重要信息。李启威说明了莱特币所使用的挖矿算法为数字货币Tenebrix所使用的Scrypt算法，是一种符合PoW共识机制的算法。Scrypt算法过程中也需要计算哈希值，但是，Scrypt计算过程中需要使用较多的内存资源。

其它使用Scrypt算法的数字货币还有数码币（DigitalCoin）、狗狗币（DogeCoin）、幸运币（LuckyCoin）、世界币（WorldCoin）等。

算法实现：https://www.imooc.com/article/50372

串联算法

重新排列组合是人类一贯以来最常用的创新发明方法。很快，有人不满足于使用单一Hash函数，2013年7月，夸克币（Quark）发布，首创使用多轮Hash算法，看似高大上，其实很简单，就是对输入数据运算了9次hash函数，前一轮运算结果作为后一轮运算的输入。这9轮Hash共使用6种加密算法，分别为BLAKE, BMW, GROESTL, JH, KECCAK和SKEIN，这些都是公认的安全Hash算法，并且早已存在现成的实现代码。

这种多轮Hash一出现就给人造成直观上很安全很强大的感觉，追捧者无数。现今价格依然坚挺的达世币率先使用11种加密算法（BLAKE, BMW, GROESTL, JH, KECCAK, SKEIN, LUFFA, CUBEHASH, SHAVITE, SIMD, ECHO），美其名曰X11，紧接着X13，X15这一系列就有人开发出来了。

S系列算法实际是一种串联思路，只要其中一种算法被破解，整个算法就被破解了，好比一根链条，环环相扣，只要其中一环断裂，整个链条就一分为二。

并联算法

Heavycoin（HVC）是第一个做了尝试的并联算法，其原理如下：

对输入数据首先运行一次HEFTY1（一种Hash算法）运算，得到结果d1
以d1为输入，依次进行SHA256、KECCAK512、GROESTL512、BLAKE512运算，分别获得输出d2,d3,d4和d5
分别提取d2-d5前64位，混淆后形成最终的256位Hash结果，作为区块ID。

之所以首先进行一轮HEFTY1 哈希，是因为HEFTY1 运算起来极其困难，其抵御矿机性能远超于SCRYPT。但与SCRYPT一样，安全性没有得到某个官方机构论证，于是加入后面的四种安全性已经得到公认的算法增强安全。

对比串联和并联的方法，Quark、X11，X13等虽使用了多种HASH函数，但这些算法都是简单的将多种HASH函数串联在一起，仔细思考，其实没有提高整体的抗碰撞性，其安全性更是因木桶效应而由其中安全最弱的算法支撑，其中任何一种Hash函数遭遇碰撞性攻击，都会危及货币系统的安全性。

HVC从以上每种算法提取64位，经过融合成为最后的结果，实际上是将四种算法并联在一起，其中一种算法被破解只会危及其中64位，四中算法同时被破解才会危及货币系统的安全性。

ETHASH

Ethash是以太坊上面使用的POW算法，具体的介绍可以查看此文（建议关注此公号）：死磕以太坊源码分析之ETHASH算法

POW算法存在的问题

算力竞争的设计导致了集中化的矿池：尽管PoW的目的是为了保证系统可以去中心化的运行，然而系统运行到现在，却事实上形成中心化程度很高的五大矿池。五大矿池垄断了世界上90%以上的算力，这可能导致大矿池破坏整个网络的行为
算力竞争的设计导致了大量的能源消耗：另外，PoW系统需要产生大量的能源消耗：比特币挖矿比159个国家消耗的能源还多；目前77.7%的全球比特币网络算力仍在中国境内；受益于内蒙古和四川两地充沛的电力资源，中国拥有世界上最多的比特币矿场；到2019年7月，比特币网络将需要比美国目前的用电量更多的电力；到2020年2月，它将使用和今天全世界一样多的电力
业务处理性能低下：尽管投入了大量的能源支持系统的运行，但这些能源消耗绝大部份是用于工作量证明中的hash运算，处理交易业务的性能则非常低，例如比特币每秒只能进行大约7笔交易；以太坊每秒10-20笔。

参考

https://web.xidian.edu.cn/qqpei/files/Blockchain/2Crypto.pdf