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前言

Ethash實現了PoW，PoW的精妙在於通過一個隨機數確定，礦工確實做了大量的工作，並且是沒有辦法作弊的。接下來將介紹：

1. Ethash的挖礦本質。
2. Ethash是如何挖礦的。
3. 如何驗證Ethash的隨機數。

Ethash的挖礦本質

挖礦的本質是找到一個隨機數，證明自己做了很多工作（計算）。在Ethash中，該隨機數稱為Nonce，它需要滿足一個公式：

Rand(hash, nonce) ≤ MaxValue / Difficulty

其中，

• hash：去除區塊頭中Nonce、MixDigest生成的哈希值，見HashNoNonce()。
• nonce：待尋找的符合條件的隨機數。
• MaxValue：固定值2^256，生成的哈希值的最大取值。
• Difficulty：挖礦難度。
• Rand()：使用hash和nonce生成一個哈希值，這其中包含了很多哈希運算。

以上參數中，在得到區塊頭的hash之後，只有nonce是未知的。

公式的含義是，使用hash和nonce生成的哈希值必須落在合法的區間。利用下圖介紹一下，Rand()函數結果取值範圍是[0, MaxValue]，但只有計算出的哈希值在[0, MaxValue / Difficulty]內，才是符合條件的哈希值，進而該Nonce才是符合條件的，否則只能再去尋找下一個Nonce。

以太坊可以通過調整Difficulty來調節當前挖礦的難度，Difficulty越大，挖礦的難度越大。當Difficulty越大時， MaxValue / Difficulty越小，合法的哈希值範圍越小，造成挖礦難度增加。

哈希值滿足條件的機率是 p = (MaxValue / Difficulty) / MaxValue = 1 / Difficulty，礦工需要進行1 / p = Difficulty次的判斷，才有可能找到一個符合條件的Nonce，當前以太坊難度為3241847139727150。

如何挖礦

Ethash挖礦的主要思想是，開啟多個線程去尋找符合條件的Nonce，給每個線程分配一個隨機數，作為本線程的Nonce的初始值，然後每個線程判斷當前的Nonce是否符合上面的公式，如果不符合，則把Nonce加1，再次進行判斷，這樣不定的疊代下去，直到找到一個符合條件的Nonce，或者挖礦被叫停。

接下來介紹挖礦的幾個主要函數的實現，它們是：

1. 挖礦的入口Seal函數。
2. 挖礦函數mine函數。
3. 挖礦需要的數據cache和dataset。
4. Rand()函數的實現hashimotoFull和hashimoto。

挖礦入口Seal()

Seal是引擎的挖礦入口函數，它是管理崗位，負責管理挖礦的線程。它發起多個線程執行Ethash.mine進行並行挖礦，當要更新或者停止的時候，重新啟動或停止這些線程。

挖礦函數mine()

mine函數負責挖礦。Seal在啟動每一個mine的時候，給它分配了一個seed，mine會把它作為Nonce的初始值，然後生成本高度使用的dataset，然後把dataset, hash, nonce傳遞給hashimotoFull函數，這個函數可以認為是原理介紹中的Rand隨機函數，他會生成哈希值Result，當Result <= Target的時候，說明哈希值落在符合條件的區間了，mine找到了符合條件的Nonce，使用Digest和nonce組成新的區塊後，發送給Seal，否則驗證下一個Nonce是否是符合條件的。

挖礦需要的數據cache和dataset

dataset用來生成Result，而cache用來生成dataset。至於如何使用dataset生成Result在hashimoto()中講述，本節介紹如何生成dataset。

dataset和cache中存放的都是偽隨機數，每個epoch的區塊使用相同的cache和dataset，並且dataset需要暫用大量的內存。剛開始時cache是16MB，dataset是1GB，但每個epoch它們就會增大一次，它們的大小分別定義在datasetSizes和cacheSizes，dataset每次增長8MB，最大能達到16GB，所以挖礦的節點必須有足夠大的內存。

使用cache生成dataset。使用cache的部分數據，進行哈希和異或運算，就能生成一組dataset的item，比如下圖中的cache中黃色塊，能生成dataset中的黃色塊，最後把這些Item拼起來就生成了完整的Dataset，完成該功能的函數是generateDataset。

dataset.generate()是dataset的生成函數，該函數隻執行一次，先使用generateCache()生成cache，再將cache作為generateDataset()的入參生成dataset，其中需要重點關注的是generateDatasetItem()，該函數是根據部分cache，生成一組dataset item，驗證PoW的nonce的時候，也需要使用該函數。

Rand()的實現hashimotoFull()和hashimoto()

hashimotoFull功能是使用dataset、hash和nonce生成Digest和Result。它創建一個獲取dataset部分數據的lookup函數，該函數能夠返回連續的64位元組dataset中的數據，然後把lookup函數、hash和nonce傳遞給hashimoto。

hashimoto的功能是根據hash和nonce，以及lookup函數生成Digest和Result，lookup函數能夠返回64位元組的數據就行。它把hash和nonce合成種子，然後根據種子生成混合的數據mix，然後進入一個循環，使用mix和seed獲得dataset的行號，使用lookup獲取指定行的數據，然後把數據混合到mix中，混合的方式是使用哈希和異或運算，循環結束後再使用哈希和異或函數把mix壓縮為64位元組，把mix轉為小端模式就得到了Digest，把seed和mix進行hash運算得到Result。

如何驗證

PoW的驗證是證明出塊人確實進行了大量的哈希計算。Ethash驗證區塊頭中的Nonce和MixDigest是否合法，如果驗證通過，則認為出塊人確實進行了大量的哈希運算。驗證方式是確定區塊頭中的Nonce是否符合公式，並且區塊頭中的MixDigest是否與使用此Nonce計算出的是否相同。

驗證與挖礦相比，簡直是毫不費力，因為：

1. 時間節省。驗證只進行1次hashimoto運算，而挖礦進行大約Difficulty次。
2. 空間節省。驗證只需要cache，不需要dataset，也就不需要計算龐大的dataset，因此不挖礦的驗證節點，不需要很高的配置。

接下來介紹驗證函數VerifySeal()，以及根據cache生成Digest和Result的hashimotoLight()。

驗證函數VerifySeal

Ethash.VerifySeal實現PoW驗證功能。首先先判斷區塊中的Difficulty是否匹配，然後生成（獲取）當前區塊高度的cache，把cache和nonce傳遞給hashimotoLight，該函數能根據cache, hash, nonce生成Digest和Result，然後校驗Digest是否匹配以及Result是否符合條件。

hashimotoLight函數

hashimotoLight使用cache, hash, nonce生成Digest和Result。生成Digest和Result只需要部分的dataset數據，而這些部分dataset數據時可以通過cache生成，因此也就不需要完整的dataset。它把generateDatasetItem函數封裝成了獲取部分dataset數據的lookup函數，然後傳遞給hashimoto計算出Digest和Result。

FAQ

• Q：每30000個塊使用同一個dataset，那可以提前挖出一些合法的Nonce？
• A： 不行。提前挖去Nonce，意味著還不知道區塊頭的hash，因此無法生成合法的Nonce。
• Q：能否根據符合條件的哈希值，反推出Nonce呢？
• A：不行。因為哈希運算具有不可逆性，不能根據摘要反推出明文，同理根據哈希值也無法推出Nonce。

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