共识算法之POS挖矿

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ttblack
0.1 2018.01.27 22:49* 字数 1738

我们之前分析过比特币的挖矿,比特币使用的挖矿共识算法是POW(Proof of Stake),如果有兴趣的可以翻我之前关于比特币挖矿的文章看一下。现在应用很广泛的共识算法除了POW之外,还有另个一共识算法POS(Proof of Stake),第一个应用此算法的虚拟币是点点币(peerCoin)。我们就基于点点币的源码看一下POS的挖矿过程。

为了让大家了解挖矿过程,我们从init.cpp中AppInit2()函数的第11步  Step 11: start node 启动节点来分析,通过源码,我们可以看到其实点点币的源码也是基于比特币源码实现的。客户端的启动过程和比特币一样,代码结构也一样。我们看第11步最后一行代码启动点点币挖矿过程:

启动POS挖矿

这里通过调用MintStake启动POS挖矿,我们现在进入这个函数在main.cpp中。

调用ThreadStakeMinter

这个函数又新建了一个线程ThreadStakeMinter,用来POS挖矿,

调用BitcoinMiner

通过这里可以看到调用了BitcoinMiner函数,这里有两个参数pwallet和true,分别表示当前钱包类和POS挖矿,我们看下这个函数头:

void BitcoinMiner(CWallet *pwallet, bool fProofOfStake)

fProofOfStake表示当前是否是POS挖矿,大家有源码的可以看到其实点点币汇合了比特币的POW和POS两种挖矿方式,启动后默认是POS,因为这个参数启动的时候传的参数是true.

BitcoinMiner包含了POW和POS两种挖矿方式,我们这里主要介绍POS的挖矿方式;POS挖矿也是从新建区块开始的CreateNewBlock();这里我们要介绍一个新概念:Coinstake

为了实现POS,PPC专门设计了一种特殊的交易,叫Coinstake,Coinstake的设计借鉴于中本聪的Coinbase设计。本质上Coinbase和Coinsake都是一笔交易,只是对他们的输入输出做了一些硬性限制。比特币规定 每个区块的第一笔交易必须放置Coinbase,反之,Coinbase不能出现在区块的其他位置 ,为了不破坏这个规则,PPC把第二笔交易称为 Coinstake 。反之,Coinstake不能出现在其他地方。换言之,只要第二笔交易是Coinstake,那么这个区块就当POS区块来处理。

现在我们进入CreateNewBlock()看看里面的代码,其实大部分是和比特币是一样的:

新建一个区块模板
创建coinStake

在这里代码里我们可以看到创建CoinStake的条件是创建此交易的时间要大于上次创建交易的时间(nSearchTime > nLastCoinStakeSearchTime) 因为nLastCoinStakeSearchTime是静态类型的,此变量只会初始化一次,这样就可以计算两次之间的时间差了。创建CoinStake的函数在钱包类wallet.cpp中的CreateCoinStake(const CKeyStore& keystore, unsigned int nBits, int64 nSearchInterval, CTransaction& txNew),参数分别为钱包公钥类,挖矿难度值,挖矿间隔,交易对象。

创建交易
循环挖矿

这里我借用了POW挖矿的概念,其实POS虽然有类似的计算过程,但是可以看到这里不是一个一直挖矿的死循环,是有间隔限制的,这个间隔是上次的时间和这次挖矿时间差,并且不能大于60秒。这里和进行挖矿成功的判断的函数是CheckStakeKernelHash函数。我们现在进入这个函数做了些什么事情。这进入之前我们介绍一个新的概念:Kernel;

我们已经知道了在POS区块中,第一个交易还叫CoinBase,是为了不破坏之前的规则 ,第二个交易叫Coinstake,是为了表示这个区块是POS区块,那Coinstake的第一个交易输入就叫Kernel。所以我们在POS挖矿中就是在找这个Kernel。

现在我们就看下CheckStakeKernelHash是怎么查找Kernel的。这个函数就在Kernel.cpp中。

我们先看下是如何传参的,我们要特别注意的是第6个参数,是交易的时间减去过去的秒数。txNew.nTime - n;这样就可以较精确的计算股权收益了。

 调用CheckStakeKernelHash
计算哈希值和权益调节器

这里我们看到一个变量:nStakeModifier ,可以看到如果是V03协议,则哈希值的第一个数据是nStakeModifier,否则是nBits;nStakeModifier的获取就是调用GetKernelStakeModifer进行赋 值获取的。

nStakeModifier:专门为POS设计的调节器,如果没有这个数据 则当一个人收到一笔币得到网络确认之后,他立即就能提前计算得知自己在未来何时可以锻造区块,这显然不符合设计目标,Sunny King希望POS矿工和POW矿工一样做盲目探索,以实时在线维护区块链,nStakeModifier的设计就是为了防止POS矿工提前计算。nStakeModifier可以理解为POS区块的一个属性,每一个区块对应一个nStakeModifier值,但nStakeModifier并不是每个区块都变动,不过协议规定每隔一定时间(Modifier Interval)必须重新计算一次,取值与前一个nStakeModifier以及最新区块哈希值有关,因此POS矿工无法提前计算,因为他不知道未来的区块哈希值。

看到这里我们终于看到了POS挖矿的真正面纱,其实POS挖矿就是根据余额和持有的时间进行挖矿。其公式为:

 Target * Balance >  F(Timestamp)

与POW相比,公式右边的搜索空间由Nonce变为Timestamp,Nonce值域是无限的,而Timestamp极其有限,一个合格区块的区块时间必须在前一个区块时间的规定范围之内,时间太早或者太超前的区块都不会被其他节点接纳。公式 左边的目标值引入一个乘积因子余额,可见余额越大,整体目标值(Target* Balance)越大,越容易找到一个区块。因为Timestamp有限,POS铸造区块成功率主要与Balance有关。

最后在PPC(点点币)中的公式则为:

SHA256D(nStakeModifier+ txPrev.block.nTime + txPrev.offset + txPrev.nTime + txPrev.vout.n +nTime)< bnTarget * nCoinDayWeight

好了,代码看到这里,也算理解了POS的挖矿算法。至于挖矿过程中的其他部分,我们在后面的文章中再解读,因为有了比特币的基础,我相信大家现在看代码应该轻松了一些。


作者:区块链研习社比特币源码研读班,black

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