011: Ethash 算法 | 《ETH原理与智能合约开发》笔记

面对信息时代，一不留神就会出轨，所以及时补充知识才能让我们与时俱进。 今天给大家带来一篇关于以太坊大都会难度和以太坊难度调整的文章。 相信会给您带来更大的帮助！

011: Ethash 算法 | 《ETH原理与智能合约开发》笔记

等待秭归中开发区块链课程：《Eth原理与智能合约开发浅显易懂》，马良授课。 这个合集记录了我的学习笔记。

总共有8节课。 其中，前四课讲的是ETH的原理，后四课讲的是智能合约。

第4课分为三个部分：

本文是第4课：Ethash算法第一部分的学习笔记。

本课介绍以太坊最核心的挖矿算法。

在介绍Ethash算法之前，先说一些背景知识。 其实区块链技术主要解决的是一个共识问题，而共识是一个层次丰富的概念。 这里缩小范围，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。 我们面临的第一个问题是谁来记账。 还有一个问题就是交易必须要有先后顺序，即谁先到，谁先到。 这解决了双花问题。 区块链中的共识机制就是解决这两个问题，谁记账，交易顺序。

什么是工作量证明算法

为了决定众多节点中谁来记账，有很多种方案。 其中，工作量证明需要节点计算一个哈希值，满足难度目标值者获胜。 这个过程只能通过枚举来计算。 谁计算得快，谁获胜的概率就大。 收益与节点的工作量相关，即工作量证明算法。

为什么要引入工作量证明算法？

Hash Cash 于 1997 年由 Adam Back 发表，中本聪首先将其应用在比特币中以解决共识问题。

它最初是用来解决垃圾邮件问题的。

它的主要设计思想是通过暴力搜索找到一个Block headers的组合（通过调整nonce）使得嵌套的SHA256单向哈希值输出小于一个特定值（Target）。

该算法是一个计算密集型算法。 一开始挖矿是从CPU到GPU，再到FPGA，再到ASIC，使得算力非常集中。

计算能力的集中会带来一个问题。 如果一个矿池的算力达到51%，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一个缺点。 以太坊吸取了这个教训，做了一些改进，Ethash 算法诞生了。

Ethash算法吸取了比特币的教训，专门设计了一个不使用计算的模型。 它使用 I/O 密集型模型。 I/O慢以太坊显存要求，计算再快也没用。 因此，它对 ASIC 不是那么有效。

该算法对 GPU 友好。 一是考虑如果只支持CPU，容易被木马攻击； 另一个是当前显存很大。

轻客户端的算法不适合挖矿，容易验证； 快速开始

在算法上，主要依赖于Keccake256。

除了传统的区块头，数据源还引入了随机数数组DAG（有向无环图）（Vitalik提出）

种子值很小。 缓存值是根据种子值生成的。 缓存层初始值为16M，每一代增加128K。

缓存层下面是矿工使用的数据值。 数据层初始值为1G，每代增加8M。 整个数据层的大小是128Bytes的质数倍。

该框架主要分为两部分，一是DAG的生成，二是利用Hashimoto计算最终结果。

DAG分为三层，种子层，缓存层，数据层。 这三个级别是逐渐增加的。

种子层很小，依赖上一代的种子层。

缓存层的第一个数据根据种子层生成，后面的数据根据​​前面的生成。 这是一个序列化过程。 它的初始大小为16M，每代增加128K。 每个元素 64 个字节。

数据层是要使用的数据。 它的初始大小是1G，现在是2G左右，每个元素128字节。 数据层的元素依赖于缓存层的 256 个元素。

整个过程是内存密集型的。

首先将头信息和随机数结合起来进行一次Keccak运算，得到初始的单向哈希值Mix[0]，128字节。 然后通过另一个函数，映射到DAG得到一个值，再和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的最终值，为32字节。 （该值在前面两小节《009：GHOST协议》和《010：搭建测试网》中均有出现）

经过计算，得出结果。 与目标值比较，小于则挖矿成功。

难度值越大，目标值越小，越难（前面需要的0越多）。

这个过程也很难挖矿，也很容易验证。

为了防止矿工，混币功能也进行了更新。

难度公式见课件截图。

根据前一个区块的难度计算下一个区块。

从公式可以看出，难度由三部分组成，首先是前一个区块的难度，然后是线性部分，最后是非线性部分。

非线性部分也称为难度炸弹。 在某个时间节点之后，难度呈指数级增长。 这种设计背后的目的是在以太坊的项目周期中，在Metropolis版本之后的下一个版本中，共识将从POW变为POW和POS混合协议。 该基金会可能意味着让挖矿变得不那么有趣。

难度曲线显示，2017年10月，难度大幅下降，奖励也从5变为3。

本节主要介绍Ethash算法。 如有不足，敬请批评指正。

eth挖矿的原理是什么

ETH通过挖矿产生，平均每13秒产生2个区块。 挖矿时，矿工使用计算机计算一个函数计算题的答案，直到矿工计算出正确答案并完成区块的打包信息。 作为第一个计算的矿工将获得 2 ETH 的奖励。

如果矿工A先计算出正确答案，那么矿工A将获得以太币作为奖励，并向全网所有矿工广播“我已经计算出答案”，让所有正在回答问题的矿工验​​证并更新正确答案. 如果矿工B计算出正确答案，那么其他矿工将停止当前的解题过程，记录正确答案，开始做下一题，直到计算出正确答案，重复这个过程。

矿工角色

矿工很难在这个游戏中作弊。 他们不能假装在工作并得到正确的答案。 这就是为什么这个解决问题的过程被称为“工作量证明”（POW）的原因。

解题过程大约每12-15秒一次，矿工会挖出2个区块。 如果矿工挖矿速度过快或过慢，算法会自动调整题目难度，使出块速度保持在13秒左右。

矿工获得这些ETH币是随机的。 挖矿的收益取决于投入的算力。 相当于你拥有的电脑越多，你答对问题的概率就越高，也就越容易获得区块奖励。

以太坊升级意味着什么？

以太坊是一个不断发展完善的公链平台。 根据对外公布的发展路线图，以太坊分为Frontier、Homestead、Metropolis和“Serenity”四个阶段，每一次重大升级后都会进入一个新的阶段。

以太坊会变得更难开采吗？

是的

未来以太坊的挖矿难度会越来越大，加入挖矿的门槛也会越来越高。

以太坊如何挖矿？

与所有区块链技术一样，以太坊使用基于激励的安全模型。 任何声称是网络中矿工的节点都可以尝试创建和阻止验证区域。 世界各地的许多矿工都在同时创建和验证区块。

一、以太坊挖矿基本原理

1. 与所有区块链技术一样，以太坊使用基于激励的安全模型。 任何声称是网络中矿工的节点都可以尝试创建和阻止验证区域。 世界各地的许多矿工都在同时创建和验证区块。 每个矿工通过向区块链发送块来提供数学机制的“证明”。 这个测试类似于一个保证：如果这个测试存在，那么这个块一定是有效的。

2. 对于要添加到主链的区块，矿工必须比其他矿工更快地提供这种“测试”。 通过矿工提供的数学机制的“证明”，确认每个区块的过程称为工作测试。 确认新区块的矿工将获得一定的奖励。 什么是奖励？ 以太坊使用一种固有的数字代币——以太币作为奖励。 每次矿工尝试一个新区块时，都会生成一个新的 ETH 并提供给矿工。

二、以太坊和比特币的区别

1、相同点：比特币和以太坊都是区块链技术的成功应用。 人们通过比特币了解区块链技术。 有了以太坊，人们意识到区块链可以是独立的。 所有这些都基于区块链，交易公开记录，货币和资产交易更加便捷优惠，省去了繁琐的中间商。

2. 区别：比特币是一种去中心化的点对点数字支付系统，类似于全球结算银行。 而且这个银行不是一个中心化组织的成员，它没有CEO，它没有管理员，只有代码的基本原则和共识。 从同行转移价值，没有其他第三方或受托人。

3、比特币总量2100万枚。 每产生21W个区块，该区块产生的比特币数量减半，每10分钟产生一个区块。 一般来说，它是一种通货紧缩的电子货币。 以太坊的定义是一个去中心化的点对点虚拟机，可以理解为一个使用代币进行价值分配，吸引各方共建生态的平台。 以太币总量没有上限。

3. 智能合约及协议ERC20

1. 智能合约首先是一个合约，以代码的形式规定了交易双方的执行，并为合约的执行规定了一定的激活条件。 一旦这些条件被激活，约定的交易就会自动执行，通常是多项交易。 这些交易会被矿工挖出以太坊显存要求，最后合并到公链中，这是不可否认和不可逆的。

2、以太坊中的智能合约在互联网上基本都是开源的。 任何用户都可以看到相关接口的定义和激活时间。 如果没有统一的标准，很多智能合约会让大家很难理解，这个智能合约到底是干什么的？ 至此，ERC20协议启动。

3、开发者可以通过查看其他智能合约，然后调用自己的合约，轻松了解相关接口的作用。 标准化是非常有益的，这意味着这些资产可以跨不同的平台和项目使用，否则它们只能在特定情况下工作。

4. 为什么以太坊可以用来发币

因为智能合约的存在，可以通过合约来安排货币资金最终存入用户的账户，而且由于0x7D0使用与直接兑换0x7D0相同的标准ERC20，而且FAD支持以太坊生态，这会更容易。

5. 以太坊交易限制

1. 对于每笔交易，交易发起方必须设置交易的gas limit price和gas price。 不同的操作会产生不同的 Gas，Gas 成本 当矿工完成后，矿工将停止运行，使用的 Gas 将奖励给矿工。

2. 如果还有一些gas存在，如果用户声明限制值过低或者中间账户Eth不足以支付Gas消耗，则退还给交易发起者或者智能合约的创建者，且因Gas不足将取消协议，用于计算的Gas不会返还至账户。

6. 网络算力全部为以太坊

以太坊当前所有矿机的总算力，当前的矿机集群就是根据这个值计算出的当前区块的难度。

7.以太坊提取难度

区块的难度用于提高区块验证区域的一致性。 创世区块的难度为131,072，有一个特殊的公式用于计算后续每个区块的难度。 如果检查一个区块比前一个区块快，以太坊协议将增加该区块的难度。 通过调整块的难度，您可以调整验证块所需的时间，称为突发率。 勾选时间自调整，以恒定速率持续生成新区块。

8、单卡算力与挖矿收益的关系

单张卡的算力越大，可以进行的校验越多，得到公式结果的概率越大，如果使用矿组，则提供的份额越大，获得的份额也越大挖矿收益。

你完成了吗？ 相信现在你对以太坊大都会的难度有了基本的了解吧！ 也可以收藏老币网页面，获取更多以太坊难度调整知识！ 区块链、虚拟货币，我们是认真的！