ETH-Pow算法分析

1. Ethash 算法

1.1 Ethash

Ethash是 以太坊 1.0中使用的PoW( 工作量证明 )算法,它是Hashimoto算法结合Dagger之后产生的一个变种。它的特点是计算的效率基本与CPU无关，却和内存大小和内存带宽正相关。因此通过共享内存的方式大规模部署的 矿机 芯片 并不能在 挖矿 效率上有线性或者超线性的增长。

该算法的一般流程如下：

• 首先根据块信息计算一个种子(seed, c++代码中为seedhash)
• 使用这个种子，计算出一个16MB的cache数据。轻客户端需要存储这份cache.
• 通过cache，计算出一个1GB(初始大小)的数据集(DAG)，DAG可以理解为是一个完整的搜索空间，全客户端和矿工需要存储完整的DAG，挖矿过程中需要从DAG中重复的随机抽取数据拿去和其他数据计算mixhash，DAG中每个元素的生成只依赖于cache中的少量数据。每到一个新的纪元DAG会完全不一样，并且它的大小也随时间线性增长。
• 由于仅根据cache就可以使用少量内存快速的计算出DAG中指定位置的数据，所以轻客户端只需要存储cache就可以高效的进行校验。

1.2 内存难解

由于比特币将hash算法作为pow工作量证明的重要手段，后续的各种采用pow的数字货币也延续了这个设计，以SHA256、MD5（MD5后来被证明不具备强碰撞性数字货币一般不用）为代表算法。在设计之初都是算力敏感型，意味着计算资源是瓶颈，主频越高的 CPU 进行 Hash 的速度也越快。这个设计直接导致后来的矿机出现，采用ASIC芯片的矿机更是将这种运算能力成倍提升，更多矿场的出现使得当时的比特币面临算力中心化的威胁。为了限制计算能力的依赖，人们开始寻求新的算法，既然要限制CPU的能力，目光自然投向存储依赖，也就是内存依赖。

​ Hashimoto算法采用IO饱和的策略来对抗ASIC，使内存读取成为采矿过程中的限制因素。

​ Dagger算法使用DAG(directed acyclic graphs 有向无环图)来同时实现内存难解和内存易验证两个特点。 主要原理是，计算每个nonce需要DAG中的一小部分，采矿过程需要存储完整的DAG，禁止每次计算DAG的相应子集，而验证过程是允许的。

1.3 参数定义

2 DAG

DAG是ethash算法中需要频繁访问的数据集，这个为每个epoch生成的。DAG要花很长时间生成，如果客户端至少按照需要生成它，那么在找到新epoch第一个区块之前，每个epoch过渡都要等待很长时间。然而，DAG的生成只取决于区块数量，所以可以预先计算出DAG来避免在每个epoch过渡过长的等待时间。

DAG的生成流程如下：

2.1 Dag_size 和Cache_size

每个epoch的dagsize和cachesize都不同，上面已经定义了创世时的初始值，以太坊还提供了一个表来存储接下来2048个纪元(大约20年)的各个值。详见 官网 或源码cpp-ethereum/libethash/data_sizes.h.

获取datasize 和cachesize的方法如下:

2.2 Seedhash

算法中需要一个seedhash，由下面程序生成，从程序可见每个epoch的seed是不变的。

2.3 Cache

使用seedhash计算cache。

2.4 DAG

最后使用cache计算DAG，light参数中保存的是cache数据.

2.5 DAG文件

DAG每次生成都需要很长时间，因此生成时候需要存在文件中，再使用mmap映射到内存中。DAG文件路径一般如下

Mac/Linux : $HOME/.ethash/full-R–

Windows: $HOME/Appdata/Local/Ethash/full-R–

是ethash算法的版本号，在libethash/ethash.h 中REVISION定义。

是上面计算出来的seedhash

路径下可能会有多个DAG文件，这取决于用户或者客户端是否删除过时的DAG文件。

格式：

DAG文件以8字节的幻数开头，值为0xfee1deadbaddcafe, 以小端格式写入。接下来是小端格式写入的dataset数据。

3 Ethash实现

3.1 Ethash

图1 算法流程图

参数说明：

Header_hash: 是当前块头部数据的hash值，在矿机调用get_ethwork时从任务参数中获取。

Nonce: 是每次计算ethash使用不同的数，不能重复。可以取时间戳或随机数作为起始值，然后递增。

对于矿工来说，如果result的值小于或等于target，那么就完成了挖矿过程，将当前的nonce和mix_hash作为工作量证明提交工作；如果result的值大于target，那么就需要改变nonce的值，再次调用ethash算法.

Ethash算法程序如下：