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%***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%***。
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。
在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:
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:
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%***的可能性就越低。
2、为了防范预先计算***,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:
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。