以太坊原始碼分析 Ethash共識演算法

ethereum當前和bitcoin一樣，採用基於工作量證明(proof of work,pow)的共識演算法來產生新的區塊。與bitcoin不同的是，ethereum採用的共識演算法可以抵禦asic礦機對挖礦工作的壟斷地位，這個演算法叫做ethash。

為什麼要反asic

pow的的核心是hash運算，誰的hash運算更快，誰就更有可能挖掘出新的區塊，獲得更多的經濟利益。在bitcoin的發展過程中，挖礦裝置經歷了(cpu=>gpu=>asic)的進化過程，其中的動機就是為了更快地進行hash運算。隨著礦機門檻地提高，參與者久越來越少，這與區塊鏈的去中心化構想背道而馳。

因此，在共識演算法設計時，為了減少asic礦機的優勢(專用平行計算)，ethereum增加了對於記憶體的要求，即在進行挖礦的過程中，需要占用消耗大量的記憶體空間，而這是asic礦機不具備的(配置符合運算那能力的記憶體太貴了，即使配置，這也就等同於大量cpu了)。即將挖礦演算法從cpu密集型(cpu bound)轉化為io密集型(i/o bound)

dagger-hashimoto

ethash是從dagger-hashimoto演算法改動而來的，而dagger-hashimoto的原型是thaddeus dryja提出的hashimoto演算法，它在傳統bitcoin的工作量證明的基礎上增加了消耗記憶體的步驟。

傳統的pow的本質是不斷嘗試不同的nonce，計算hash ha

sh_o

utpu

t=ha

sh(p

rev_

hash

,mer

kler

oot,

nonc

e)h as

h_ou

tput

=has

h(pr

ev_h

ash,

merk

lero

ot,n

once

)如果計算結果滿足ha

sh_o

utpu

trget

h as

h_ou

tput

rget

，則說明計算的nonce是有效的

而對於hashimoto，hash運算僅僅是第一步，其演算法如下:

nonce:

64-bits.正在嘗試的nonce值

get_txid(t):歷史區塊上的交易t的hash

total_transactions:　歷史上的所有交易的個數for i = 0

to63 do

shifted_a = hash_output_a >> i

transaction = shifted_a mod total_transactions

txid[i] = get_txit(transaction) << i

endof

txid_mix = txid[0]^txid[1]...txid[63]

final_output = txid_mix ^ （nonce<<192)

可以看出，在進行了hash運算後，還需要進行64輪的混淆(mix)運算，而混淆的源資料是區塊鏈上的歷史交易，礦工節點在執行此演算法時，需要訪問記憶體中的歷史交易資訊(這是記憶體消耗的**)，最終只有當　fi

nal_

outp

utrget

f in

al_o

utpu

trget

時，才算是找到了有效的nonce

dagger-hashimoto相比於hashimoto，不同點在於混淆運算的資料來源不是區塊鏈上的歷史交易，而是以特定演算法生成的約1gb大小的資料集合(dataset)，礦工節點在挖礦時，需要將這1gb資料全部載入記憶體。

ethash演算法概要

ethash原始碼解析

dataset生成

dataset通過generate()方法生成，首先是生成cache，再從cache生成dataset

挖礦(seal)

在挖礦與共識中提到了，共識演算法通過實現engine.seal介面，來實現挖礦,ethash演算法也不例外。

其頂層流程如下:

}hashmotofull()是運算的核心，內部呼叫hashmoto()，第三個引數為dataset的大小（即1gb）,第四個引數是乙個lookup函式，它接收index引數，返回dataset中64位元組的資料。

func hashimoto(hash byte, nonce uint64, size uint64, lookup func(index uint32) uint32) (byte, byte) 
temp := make(uint32, len(mix))
//　進行總共loopaccesses=64輪的混淆計算，每次計算會去dataset裡查詢資料
for i :=0; i < loopaccesses; i++ 
fnvhash(mix, temp)
}// 壓縮mix：將32個uint32的mix壓縮成8個uint32
for i :=0; i < len(mix); i +=4 
mix = mix[:len(mix)/4]
// 用8個uint32的mix填充32位元組的digest
digest := make(byte, common.hashlength)
for i, val := range mix 
//　對seed+digest計算hash，得到最終的hash值
}

驗證(verify)

驗證時verifyseal()呼叫hashimotolight()，light表明驗證者不需要完整的dataset，它需要用到的dataset中的資料都是臨時從cache中計算。

func hashimotolight(size uint64, cache uint32, hash byte, nonce uint64) (byte, byte) 
return data
}return hashimoto(hash, nonce, size, lookup)
}

除了lookup函式不同，其餘部分hashimotofull完全一樣

總結ethash相比與bitcoin的挖礦演算法，增加了對記憶體使用的要求，要求礦工提供在挖礦過程中使用了大量記憶體的工作量證明,最終達到抵抗asic礦機的目的。

參考資料

1 ethash-design-rationale

2 what-actually-is-a-dag

3 why-dagger-hashimoto-for-ethereum

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