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  兄弟连区块链入门到精通教程区块链共识算法PoS权益证明算法,“区块链+时代无疑会是下一个风口,然而现在的区块链行业专业型人才正在遭遇瓶颈”兄弟连教育区块链培训学院院长尹成表示,“希望能通过兄弟连教育区块链学院为社会为企业培养并输送更多优质的区块链高精尖型技术。
PoS权益证明算法原理及其在点点币、黑币中的实现
PoS,即Proof of Stake,译为权益证明。
无论PoW或PoS,均可以理解为“谁有资格写区块链”的问题。
PoW通过算力证明自己有资格写区块链,而PoS则是通过拥有的币龄来证明自己有资格写区块链。
PoW的优势和弊端
PoW,优势为可靠,使用广泛,是经历了充分的实践检验的公有链共识算法。
但其缺点也较为明显:
* 1、消耗了太多额外算力,即大量能源。
* 2、资本大量投资矿机,导致算力中心化,有51%攻击的安全隐患。
### PoS的提出和点点币
第一个基于PoS的虚拟币是点点币。
鉴于PoW的缺陷,2012年Sunny King提出了PoS,并基于PoW和PoS的混合机制发布了点点币PPCoin。
前期采用PoW挖矿开采和分配货币,以保证公平。后期采用PoS机制,保障网络安全,即拥有51%货币难度更大,从而防止51%攻击。
PoS核心概念为币龄,即持有货币的时间。例如有10个币、持有90天,即拥有900币天的币龄。
另外使用币,即意味着币龄的销毁。
PoS中有一种特殊的交易称为利息币,即持有人可以消耗币龄获得利息,同时获得为网络产生区块、以及PoS造币的优先权。
点点币的PoS实现原理
点点币的PoS证明计算公式为:
proofhash < 币龄x目标值
展开如下:
hash(nStakeModifier + txPrev.block.nTime + txPrev.offset + txPrev.nTime + txPrev.vout.n + nTime) < bnTarget x bnCoinDayWeight
* 其中proofhash,对应一组数据的哈希值,即hash(nStakeModifier + txPrev.block.nTime + txPrev.offset + txPrev.nTime + txPrev.vout.n + nTime)。
* 币龄即bnCoinDayWeight,即币天,即持有的币数乘以持有币的天数,此处天数最大值为90天。
* 目标值,即bnTarget,用于衡量PoS挖矿难度。目标值与难度成反比,目标值越大、难度越小;反之亦然。
由公式可见,持有的币天越大,挖到区块的机会越大。
peercoin-0.6.1ppc中PoS证明计算代码如下:
c++
bool CheckStakeKernelHash(unsigned int nBits, const CBlockHeader& blockFrom, unsigned int nTxPrevOffset, const CTransaction& txPrev, const COutPoint& prevout, unsigned int nTimeTx, uint256& hashProofOfStake, bool fPrintProofOfStake)
{
if (nTimeTx < txPrev.nTime) // Transaction timestamp violation
return error("CheckStakeKernelHash() : nTime violation");
unsigned int nTimeBlockFrom = blockFrom.GetBlockTime();
if (nTimeBlockFrom + nStakeMinAge > nTimeTx) // Min age requirement
return error("CheckStakeKernelHash() : min age violation");
    //目标值使用nBits
CBigNum bnTargetPerCoinDay;
bnTargetPerCoinDay.SetCompact(nBits);
int64 nValueIn = txPrev.vout[prevout.n].nValue;
// v0.3 protocol kernel hash weight starts from 0 at the 30-day min age
// this change increases active coins participating the hash and helps
// to secure the network when proof-of-stake difficulty is low
int64 nTimeWeight = min((int64)nTimeTx - txPrev.nTime, (int64)STAKE_MAX_AGE) - (IsProtocolV03(nTimeTx)? nStakeMinAge : 0);
    //计算币龄,STAKE_MAX_AGE为90天
CBigNum bnCoinDayWeight = CBigNum(nValueIn) * nTimeWeight / COIN / (24 * 60 * 60);
// Calculate hash
CDataStream ss(SER_GETHASH, 0);
    //权重修正因子
uint64 nStakeModifier = 0;
int nStakeModifierHeight = 0;
int64 nStakeModifierTime = 0;
if (IsProtocolV03(nTimeTx)) // v0.3 protocol
{
if (!GetKernelStakeModifier(blockFrom.GetHash(), nTimeTx, nStakeModifier, nStakeModifierHeight, nStakeModifierTime, fPrintProofOfStake))
return false;
ss << nStakeModifier;
}
else // v0.2 protocol
{
ss << nBits;
}
    //计算proofhash
    //即计算hash(nStakeModifier + txPrev.block.nTime + txPrev.offset + txPrev.nTime + txPrev.vout.n + nTime)
ss << nTimeBlockFrom << nTxPrevOffset << txPrev.nTime << prevout.n << nTimeTx;
hashProofOfStake = Hash(ss.begin(), ss.end());
if (fPrintProofOfStake)
{
if (IsProtocolV03(nTimeTx))
printf("CheckStakeKernelHash() : using modifier 0x%016" PRI64x" at height=%d timestamp=%s for block from height=%d timestamp=%s\n",
nStakeModifier, nStakeModifierHeight,
DateTimeStrFormat(nStakeModifierTime).c_str(),
mapBlockIndex[blockFrom.GetHash()]->nHeight,
DateTimeStrFormat(blockFrom.GetBlockTime()).c_str());
printf("CheckStakeKernelHash() : check protocol=%s modifier=0x%016" PRI64x" nTimeBlockFrom=%u nTxPrevOffset=%u nTimeTxPrev=%u nPrevout=%u nTimeTx=%u hashProof=%s\n",
IsProtocolV05(nTimeTx)? "0.5" : (IsProtocolV03(nTimeTx)? "0.3" : "0.2"),
IsProtocolV03(nTimeTx)? nStakeModifier : (uint64) nBits,
nTimeBlockFrom, nTxPrevOffset, txPrev.nTime, prevout.n, nTimeTx,
hashProofOfStake.ToString().c_str());
}
// Now check if proof-of-stake hash meets target protocol
    //判断是否满足proofhash < 币龄x目标值
if (CBigNum(hashProofOfStake) > bnCoinDayWeight * bnTargetPerCoinDay)
return false;
if (fDebug && !fPrintProofOfStake)
{
if (IsProtocolV03(nTimeTx))
printf("CheckStakeKernelHash() : using modifier 0x%016" PRI64x" at height=%d timestamp=%s for block from height=%d timestamp=%s\n",
nStakeModifier, nStakeModifierHeight,
DateTimeStrFormat(nStakeModifierTime).c_str(),
mapBlockIndex[blockFrom.GetHash()]->nHeight,
DateTimeStrFormat(blockFrom.GetBlockTime()).c_str());
printf("CheckStakeKernelHash() : pass protocol=%s modifier=0x%016" PRI64x" nTimeBlockFrom=%u nTxPrevOffset=%u nTimeTxPrev=%u nPrevout=%u nTimeTx=%u hashProof=%s\n",
IsProtocolV03(nTimeTx)? "0.3" : "0.2",
IsProtocolV03(nTimeTx)? nStakeModifier : (uint64) nBits,
nTimeBlockFrom, nTxPrevOffset, txPrev.nTime, prevout.n, nTimeTx,
hashProofOfStake.ToString().c_str());
}
return true;
}
//代码位置src/kernel.cpp
点点币的PoS挖矿难度
点点币使用目标值来衡量挖矿难度,目标值与难度成反比,目标值越大、难度越小;反之亦然。
当前区块的目标值与前一个区块目标值、前两个区块的时间间隔有关。
计算公式如下:
当前区块目标值 = 前一个区块目标值 x (1007x10x60 + 2x前两个区块时间间隔) / (1009x10x60)
由公式可见,两个区块目标间隔时间即为10分钟。
如果前两个区块时间间隔大于10分钟,目标值会提高,即当前区块难度会降低。
反之,如果前两个区块时间间隔小于10分钟,目标值会降低,即当前区块难度会提高。
peercoin-0.6.1ppc中目标值计算代码如下:
c++
unsigned int static GetNextTargetRequired(const CBlockIndex* pindexLast, bool fProofOfStake)
{
if (pindexLast == NULL)
return bnProofOfWorkLimit.GetCompact(); // genesis block
const CBlockIndex* pindexPrev = GetLastBlockIndex(pindexLast, fProofOfStake);
if (pindexPrev->pprev == NULL)
return bnInitialHashTarget.GetCompact(); // first block
const CBlockIndex* pindexPrevPrev = GetLastBlockIndex(pindexPrev->pprev, fProofOfStake);
if (pindexPrevPrev->pprev == NULL)
return bnInitialHashTarget.GetCompact(); // second block
int64 nActualSpacing = pindexPrev->GetBlockTime() - pindexPrevPrev->GetBlockTime();
// ppcoin: target change every block
// ppcoin: retarget with exponential moving toward target spacing
CBigNum bnNew;
bnNew.SetCompact(pindexPrev->nBits);
    //STAKE_TARGET_SPACING为10分钟,即10 * 60
    //两个区块目标间隔时间即为10分钟
int64 nTargetSpacing = fProofOfStake? STAKE_TARGET_SPACING : min(nTargetSpacingWorkMax, (int64) STAKE_TARGET_SPACING * (1 + pindexLast->nHeight - pindexPrev->nHeight));
    //nTargetTimespan为1周,即7 * 24 * 60 * 60
    //nInterval为1008,即区块间隔为10分钟时,1周产生1008个区块
int64 nInterval = nTargetTimespan / nTargetSpacing;
    //计算当前区块目标值
bnNew *= ((nInterval - 1) * nTargetSpacing + nActualSpacing + nActualSpacing);
bnNew /= ((nInterval + 1) * nTargetSpacing);
if (bnNew > bnProofOfWorkLimit)
bnNew = bnProofOfWorkLimit;
return bnNew.GetCompact();
}
//代码位置src/kernel.cpp
PoS 2.0的提出和黑币
为了进一步巩固PoS的安全,2014年rat4(Pavel Vasin)提出了PoS 2.0,并发布了黑币。
黑币前5000个块,为纯PoW阶段;第5001个块到第10000个块为PoW与PoS并存阶段,从第10001个块及以后为纯PoS阶段。
黑币首创快速挖矿+低股息发行模式,发行阶段采用POW方式,通过算法改进在短时间内无法制造出专用的GPU和AISC矿机,解决分配不公平的问题。
PoS2.0相比PoS的改进:
* 1、将币龄从等式中拿掉。新系统采用如下公式计算权益证明:
  proofhash < 币数x目标值
点点币中,部分节点平时保持离线,只在积累了可观的币龄以后才连线获取利息,然后再次离线。
PoS 2.0中拿掉币龄,使得积攒币龄的方法不再有效,所有节点必须更多的保持在线,以进行权益累积。
越多的节点在线进行权益累积,系统遭遇51%攻击的可能性就越低。
* 2、为了防范预先计算攻击,权益修正因子每次均改变。
* 3、改变时间戳规则,以及哈希算法改用SHA256。
黑币的PoS实现原理
黑币的PoS证明计算公式为:
proofhash < 币数x目标值
展开如下:
hash(nStakeModifier + txPrev.block.nTime + txPrev.nTime + txPrev.vout.hash + txPrev.vout.n + nTime) < bnTarget * nWeight
其中proofhash,对应一组数据的哈希值,即hash(nStakeModifier + txPrev.block.nTime + txPrev.nTime + txPrev.vout.hash + txPrev.vout.n + nTime)。
币数即nWeight,目标值即bnTarget。
blackcoin-1.2.4中PoS证明计算代码如下:
c++
static bool CheckStakeKernelHashV2(CBlockIndex* pindexPrev, unsigned int nBits, unsigned int nTimeBlockFrom, const CTransaction& txPrev, const COutPoint& prevout, unsigned int nTimeTx, uint256& hashProofOfStake, uint256& targetProofOfStake, bool fPrintProofOfStake)
{
if (nTimeTx < txPrev.nTime) // Transaction timestamp violation
return error("CheckStakeKernelHash() : nTime violation");
//目标值使用nBits
CBigNum bnTarget;
bnTarget.SetCompact(nBits);
//计算币数x目标值
int64_t nValueIn = txPrev.vout[prevout.n].nValue;
CBigNum bnWeight = CBigNum(nValueIn);
bnTarget *= bnWeight;
targetProofOfStake = bnTarget.getuint256();
    //权重修正因子
uint64_t nStakeModifier = pindexPrev->nStakeModifier;
uint256 bnStakeModifierV2 = pindexPrev->bnStakeModifierV2;
int nStakeModifierHeight = pindexPrev->nHeight;
int64_t nStakeModifierTime = pindexPrev->nTime;
//计算哈希值
    //即计算hash(nStakeModifier + txPrev.block.nTime + txPrev.nTime + txPrev.vout.hash + txPrev.vout.n + nTime)
CDataStream ss(SER_GETHASH, 0);
if (IsProtocolV3(nTimeTx))
ss << bnStakeModifierV2;
else
ss << nStakeModifier << nTimeBlockFrom;
ss << txPrev.nTime << prevout.hash << prevout.n << nTimeTx;
hashProofOfStake = Hash(ss.begin(), ss.end());
if (fPrintProofOfStake)
{
LogPrintf("CheckStakeKernelHash() : using modifier 0x%016x at height=%d timestamp=%s for block from timestamp=%s\n",
nStakeModifier, nStakeModifierHeight,
DateTimeStrFormat(nStakeModifierTime),
DateTimeStrFormat(nTimeBlockFrom));
LogPrintf("CheckStakeKernelHash() : check modifier=0x%016x nTimeBlockFrom=%u nTimeTxPrev=%u nPrevout=%u nTimeTx=%u hashProof=%s\n",
nStakeModifier,
nTimeBlockFrom, txPrev.nTime, prevout.n, nTimeTx,
hashProofOfStake.ToString());
}
// Now check if proof-of-stake hash meets target protocol
    //判断是否满足proofhash < 币数x目标值
if (CBigNum(hashProofOfStake) > bnTarget)
return false;
if (fDebug && !fPrintProofOfStake)
{
LogPrintf("CheckStakeKernelHash() : using modifier 0x%016x at height=%d timestamp=%s for block from timestamp=%s\n",
nStakeModifier, nStakeModifierHeight,
DateTimeStrFormat(nStakeModifierTime),
DateTimeStrFormat(nTimeBlockFrom));
LogPrintf("CheckStakeKernelHash() : pass modifier=0x%016x nTimeBlockFrom=%u nTimeTxPrev=%u nPrevout=%u nTimeTx=%u hashProof=%s\n",
nStakeModifier,
nTimeBlockFrom, txPrev.nTime, prevout.n, nTimeTx,
hashProofOfStake.ToString());
}
return true;
}
后记
PoS有种种优点,但也有所缺陷。
即因为PoS并不消耗更多的算力,因此如果出现分叉,理性节点会在所有链上同时PoS挖矿。
以至于每次分叉都会形成新的山寨币,即PoS无法很好的应对分叉。
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