BitCoin-Minning, What do nonce, POW mean for?👷

Once you know the hash function, the most important idea of ​​cryptocurrency, then you need to know about proof of work (POW), which is essential in the mining process. It is the proof that the miner has elaborated this much to find out target hash.

• In the process of proof-of-work (POW), nonce and difficulty arise. Difficulty is a variable that makes it difficult to mine a block. This is easy to accept, but the concept of nonce is hard to grasp. Let’s make assumption like this.

Picking balls which are numbered upto 100 in a pouch

• Put 100 numbered balls into an invisible pouch, and three people A, B, and C draw each and each ball. If a number that satisfies the criteria comes out, it passes, but otherwise, put the ball into a pouch again and repeat the drawing. Here, the conditions below are applied to increase the difficulty.

• A 는 90 보다 작은 수를 뽑으면 통과 (작업증명)을 받아준다.
• B 는 50 보다 작은 수를 뽑아야 통과 (작업증명)을 받아준다.
• C 는 5 이하의 숫자를 뽑았을 때만 통과시켜 준다.

누가 빠른시간 내에 조건을 충족하고 작업을 마칠 수 있을까? 당연히 A가 월등히 적은 횟수로 작업을 마칠 수 있다

예를 들어,

1. A 는 5번 만에 90보다 작은 수를 뽑아 통과했다.
2. B 는 13번 만에 50보다 작은 수를 뽑아 통과했다.
3. C 는 59번 만에 5보다 작은 수를 뽑아 통과했다.

항상 C 가 더 만은 횟수를 시도해야 되는 것은 아니다. 한번에 통과할 수도 있다.
하지만, 확률적으로 C 가 더 많이 고생해야 할 것이다.

여기서,

1. 90 보다 작은 수 라는 조건은 난이도 (difficulty)
2. 반복작업 5번 의 횟수가 논스(nonce) 다

nonce 는 몇 번을 반복해서 시도 했는지, 횟수이며, 이 횟수가 얼만큼 고생했는지를 입증하는 작업증명 (proof_of_work)이다. 논스를 포함해서, 현재의 Hash 값이 계산되야 하며, 유일하게 변경할 수 있는 해쉬입력값 통로 NONCE 변경 시켜 가면서 해쉬값을 반복적으로 계산하다 보면 우연하게 조건을 만족하는 해쉬값을 찾아낸다. 빠르게 계산할수 있는 능력을 가진사람에게 기회가 더 많지만, 찾을 확률은 우연 에 기반하기 때문에 절대적인 것은 아니다 ..이거, 다 새빨간 거짓말인거 다 아시죠? 여러분!..

아래 블럭결과를 비교해 보자

난이도에 따라서, 기준보다 작은 해쉬를 계산했을 때 시도한 횟수, 논스(nonce) 를 보여준다, 일정크기 이하의 해쉬를 뽑아내기가 어려운 만큼 시도횟수 논스가 증가 했다.

{'difficulty': '000',
 'hash_present': '000107d0d540f0edf7eb0af657840b51',
 'hash_previous': '000005fa8482b821aff9b2ce6103f69e',
 'index': 1,
 'nonce': 7725,
 'timestamp': 1539440895.4122593,
 'transaction': [{'amount': 1000, 'recipient': 'Bob', 'sender': 'Alice'},
                 {'amount': 800, 'recipient': 'Alice', 'sender': 'Scrouge'},
                 {'amount': 200,
                  'recipient': 'node_identifier_uid',
                  'sender': 'coinbase_reward'}]}

• 시도횟수(논스) = 7,725회
• 만족하는 present_hash 값을 찾았을 때,
• 타임스탬프를 찍고, 현재해쉬값을 추가했다
• 즉, 타임스탬프와 현재해쉬값을 뺀 블럭을 해쉬256 함수에, 논스값과 같이 넣으면
• 현재의 조건에 만족하는 해쉬값이 나온다.
• 해쉬 입력값에서 논스를 포함한 그 어떤글자가 한글자만 바뀌어도,
• 해쉬값은 조건에서 벗어난다.
• 즉, 특정 논스값을 찾아야만, 조건에 맞는 해쉬값 작업증명을 이뤄낸다.
• 해쉬값은 무작위수이기 때문에, 논스를 1씩 증가시키며, 반복 계산한다
• 이 과정이 랜덤피킹과 같은 동작이다.

{'difficulty': '00000',
 'hash_present': '00000da730623b47a1e4d39a4d28ccfe',
 'hash_previous': '000005fa8482b821aff9b2ce6103f69e',
 'index': 12,
 'nonce': 52305,
 'timestamp': 1539441010.7054014,
 'transaction': [{'amount': 1000, 'recipient': 'Bob', 'sender': 'Alice'},
                 {'amount': 800, 'recipient': 'Alice', 'sender': 'Scrouge'},
                 {'amount': 200,
                  'recipient': 'node_identifier_uid',
                  'sender': 'coinbase_reward'}]}

• 난이도가 두자릿수 추가로 떨어지니가, 시도횟수가 52,305회 로 늘어났다.
• 조건에 맞는 해쉬값을 계산할수 있는 입력갑 논스를 찾아내고
• 조건에 맞는 해쉬값을 찾아내면 작업증명이 이루어진다.
• 각 블럭의 연결고리는 조건에 맞는 해쉬값을 기준으로 앞뒤로 연결되어있다.
• 조건에 맞는 해쉬값를 찾아서 앞/뒤 블럭을 잠근것이다.
• 길이가 긴, 일련의 블록들은 앞/뒤 무결성을 해쉬값으로 증명한다.
• 늘어선 블럭의 내용이 하나라도 바뀐다면, 뒤에 블럭은 모두 무효가 된다.
• 해킹을 위해 중간값을 바꾸려면, 그 이후 블럭의 작업증명을 모두 바꿔야 한다.
• 이 과정에서 작업증명을 하는데, 너무 많은 시간이 소요된다.

{'difficulty': '0000000',
 'hash_present': '0000000f8fc7d21dc1a4c67f3ec72ac5',
 'hash_previous': '000005fa8482b821aff9b2ce6103f69e',
 'index': 12,
 'nonce': 19760524,
 'timestamp': 1539441177.5858967,
 'transaction': [{'amount': 1000, 'recipient': 'Bob', 'sender': 'Alice'},
                 {'amount': 800, 'recipient': 'Alice', 'sender': 'Scrouge'},
                 {'amount': 200,
                  'recipient': 'node_identifier_uid',
                  'sender': 'coinbase_reward'}]}

• 난이도가 네자리 추가로 떨어져서, 시도횟수가 19,760,524번 으로 늘어났다.
• 블럭이 뒤로 갈수록 난이도가 증가하며, 작업증명에 시간이 기하급수적으로 늘어남.
• 중간블럭 내용을 위조하면, 이후 블럭의 모든 작업증명을 바꿔야 해킹이 완성되는데,
• 블럭은 10분마다 추가로 생성된다.
• 게다가, 일련의 블럭모음 정보는 모든 노드들이 자동으로 공유하고 있다.
• 따라서, 노드간에 공유하고 있는 모든 블럭을 일순간에 해킹 하는것은 불가능 하다.

[image ref.]: Understanding How Blockchain Works

• 블럭해쉬의 입력 값을 변경시킬 수 있는 유일한 변수는 논스(nonce)다.
• 논스를 변경하며, 해쉬값을 계산해서 난이도조건을 만족하는 값이 나올 때 반복
• 논스는 0 에서부터 +1씩 증가시키며 반복 계산하기 때문에 결과적으로 계산 횟수다.

Result of the Block Hash Calculation, Changing difficulty

• 난이도를 바꿔서 계산해 보면, 계산시간과 반복횟수에서 큰 차이가 난다.
• Previous hash is ‘0000…’ pressent hash starts with ‘000000…’

😢 difficulty related with nonce makes different on execute time. (click to see bigger)

🎥Well-explained VOD about what does nonce mean for.

• 논스(nonce)와 작업증명(POW)에 대해서 아주 잘 설명 해 놓은 영상

따라하기도 가능~

• YouTube Here : https://www.youtube.com/watch
• Code Here : https://github.com/anders94/blockchain-demo

CODE REVIEW

난이도(difficulty)를 바꿔가면서, 논스(nonce)를 변경 해서 계산 해 보자.

• 블록 안에 모든 값 들은 이미 결정 되어 있다 (present hash = 0000 ….)
• nonce 만이 유일하게 minner 가 바꿀 수 있는 값 이다.
• 목표 Present hash 를 찾기 위해 nonce를 1씩 증가 시키며 Try & Error로 찾는다.
• 우연히 해쉬값의 첫자리가 ‘0000’으로 시작하는 목표 해쉬를 발견 했을 때,
• 작업 증명을 완성 한다. 작업증명(Proof of Work) 값은 nonce=7725 이다.

import time
import pyprnt
from hashlib import sha256

# difficulty 를 '0000' 에서 0 을 하나씩 늘려 실행시간을 비교한다.
difficulty = '0000'

mining_uid = 'node_identifier_uid'
transactions = [
    {
        'sender': 'Alice',
        'recipient': 'Bob',
        'amount': 1000
    },
    {
        'sender': 'Scrouge',
        'recipient': 'Alice',
        'amount': 800
    },
    {
        'sender': 'coinbase_reward',
        'recipient': mining_uid,
        'amount': 200
    },
]


last_block = {
    'index': 12,
    'difficulty': difficulty,
    'nonce': 0,
    'hash_previous': '000005fa8482b821aff9b2ce6103f69e',
    'transaction': transactions,
}


def get_hash_w_nonce(last_block, nonce):
    """ 최근블럭에 논스를 대입하여 해쉬값을 리턴한다"""
    last_block['nonce'] = nonce
    hash = sha256(str(last_block).encode()).hexdigest()
    return hash

def add_header(last_block, block_hash):
    """ 블럭에 타임스탬프와 현재해쉬를 추가한다"""
    header = {
        'timestamp': time.time(),
        'hash_present': block_hash, }

    for _key, _val in header.items():
        last_block[_key] = _val

    return last_block

def proof_of_work(last_block):
    nonce = 0
    difficulty = last_block['difficulty']

    while True:
        hash = get_hash_w_nonce(last_block, nonce)

        if hash[:len(difficulty)] == difficulty:
            hash_present = hash[:32]
            add_header(last_block, hash_present)
            return last_block

        nonce += 1

if __name__ == '__main__':
    last_block = proof_of_work(last_block)
    pyprnt.prnt(last_block)

Written on ... October 12, 2018