待字闺中开发了一门区块链方面的课程：《深入浅出ETH原理与智能合约开发》，马良老师讲授。此简书文集记录我的学习笔记。

课程共8节课。其中，前四课讲ETH原理，后四课讲智能合约。
第四课分为三部分：

1. Ethash算法
2. EVM框架
3. Bloom Filter / Recipt

这篇文章是第四课第一部分的学习笔记：Ethash算法。

这节课介绍的是以太坊非常核心的挖矿算法。

1、POW算法基础

1.1 Proof Of Work

在介绍Ethash算法之前，先讲一些背景知识。其实区块链技术主要是解决一个共识的问题，而共识是一个层次很丰富的概念，这里把范畴缩小，只讨论区块链中的共识。

什么是共识？

在区块链中，共识是指哪个节点有记账权。网络中有多个节点，理论上都有记账权，首先面临的问题就是，到底谁来记帐。另一个问题，交易一定是有顺序的，即谁在前，前在后。这样可以解决双花问题。区块链中的共识机制就是解决这两个问题，谁记帐和交易的顺序。

什么是工作量证明算法

为了决定众多节点中谁来记帐，可以有多种方案。其中，工作量证明就让节点去算一个哈希值，满足难度目标值的胜出。这个过程只能通过枚举计算，谁算的快，谁获胜的概率大。收益跟节点的工作量有关，这就是工作量证明算法。

为什么要引入工作量证明算法？

• 维护区块链系统的共识，简单易懂；
• 无需任何身份验证，所有人都可以参与；
• 减少可能的提案节点数据。

1.2 Hash Cash 简介

Hash Cash 由Adam Back 在1997年发表，中本聪首次在比特币中应用来解决共识问题。

它最初用来解决垃圾邮件问题。

其主要设计思想是通过暴力搜索，找到一种Block头部组合（通过调整nonce）使得嵌套的SHA256单向散列值输出小于一个特定的值（Target）。

这个算法是计算密集型算法，一开始从CPU挖矿，转而为GPU，转而为FPGA，转而为ASIC，从而使得算力变得非常集中。

算力集中就会带来一个问题，若有一个矿池的算力达到51%，则它就会有作恶的风险。这是比特币等使用工作量证明算法的系统的弊端。而以太坊则吸取了这个教训，进行了一些改进，诞生了Ethash算法。

2、ETHASH的设计目标

2.1 ETHASH 简介

Ethash算法吸取了比特币的教训，专门设计了非常不利用计算的模型，它采用了I/O密集的模型，I/O慢，计算再快也没用。这样，对专用集成电路则不是那么有效。

该算法对GPU友好。一是考虑如果只支持CPU，担心易被木马攻击；二是现在的显存都很大。

轻型客户端的算法不适于挖矿，易于验证；快速启动

算法中，主要依赖于Keccake256 。

数据源除了传统的Block头部，还引入了随机数阵列DAG（有向非循环图）（Vitalik提出）

2.2 DAG 主要技术指标

DAG主要技术指标

• 一个世代（Epoch），含有30000Blocks。一个世代里使用相同的随机数阵列。

• 随机数阵列分为三个层次，种子值，缓存值，数据。

种子值很小。根据种子值生成缓存值，缓存层的初始值为16M，每个世代增加128K。

在缓存层之下是矿工使用的数据值，数据层的初始值是1G，每个世代增加8M。整个数据层的大小是128Bytes的素数倍。

• 过程中使用了KEC512算法，结果为64Bytes。

• 最终，核心部分使用的数据单位是128Bytes，数据层面每一个元素都依赖于缓存层的256个元素。

3、ETHASH的框架

ETHASH的框架

框架主要分为两个部分，一是DAG的生成，二是用Hashimoto来计算最终的结果。

3.1 DAG 生成

DAG分为三个层次，种子层，缓存层，数据层。三个层次是逐渐增大的。

种子层很小，依赖上个世代的种子层。

缓存层的第一个数据是根据种子层生成的，后面的根据前面的一个来生成，它是一个串行化的过程。其初始大小是16M，每个世代增加128K。每个元素64字节。

数据层就是要用到的数据，其初始大小1G，现在约2个G，每个元素128字节。数据层的元素依赖缓存层的256个元素。

3.2 Hashimoto 主要流程

整个流程是内存密集型。

首先是头部信息和随机数结合在一起，做一个Keccak运算，获得初始的单向散列值Mix[0]，128字节。然后，通过另外一个函数，映射到DAG上，获取一个值，再与Mix[0]混合得到Mix[1]，如此循环64次，得到Mix[64]，128字节。

接下来经过后处理过程，得到 mix final 值，32字节。（这个值在前面两个小节《009：GHOST协议》、《010：搭建测试网络》都出现过）

再经过计算，得出结果。把它和目标值相比较，小于则挖矿成功。

难度值大，目标值小，就越难（前面需要的 0 越多）。

这个过程也是挖矿难，验证容易。

为防止矿机，mix function函数也有更新过。

4、ETHASH的难度曲线

难度公式

难度公式见课件截图。

根据上一个区块的难度，来推算下一个。

从公式看出，难度由三部分组成，首先是上一区块的难度，然后是线性部分，最后是非线性部分。

非线性部分也叫难度炸弹，在过了一个特定的时间节点后，难度是指数上升。如此设计，其背后的目的是，在以太坊的项目周期中，在大都会版本后的下一个版本中，要转换共识，由POW变为POW、POS混合型的协议。基金会的意思可能是使得挖矿变得没意思。

难度曲线图显示，2017年10月，难度有一个大的下降，奖励也由5个变为3个。

本节主要介绍了Ethash算法，不足之处，请批评指正。