秒懂比特元 | 比特元创新的SPOS共识机制

五迷三道 提交于 2020-01-26 05:41:04

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比特元采用了创新的SPOS 即 Safe POS共识机制,SPOS的创新及应用主要体现在两个方面。

其一就是通过Ticket选票机制实现POS共识
比特元通过 Ticket 实现 POS 的安全挖矿逻辑。用户使用钱包账户中 BTY 余额购票(挖矿权,目前 3000 个 BTY对应1票),一票对应一个唯一的 Ticket ID,同时拥有一份挖矿权;一个区块只能由一票挖出,实际的挖矿几率各票均分(如全网有 N 张票,则一张票挖到矿的几率为 1/N)。

Ticket 挖矿流程如下所示:

钱包:定期检查账户中的 BTY 余额来购买票, 当满足购票条件后构造一条买票交易发往区块链。

共识:它会一直尝试使用本地持有的票去打包区块,一旦打包成功,是表示对应的 Ticket 持有人挖矿成功,并获得对应的区块奖励。

智能合约:智能合约会把地址对应的票信息写入到区块链数据库,每一张Ticket 都对应有一个唯一的 Ticket ID,也会有一条数据记录在数据库。恶意节点,试图分叉比特元,或者任何系统能检测到的恶意行为,都可能会被惩罚,每次惩罚会损失 20%的资产。挖矿必须以比特元基金会发布的标准钱包进行,篡改挖矿行为,如果被系统自动判定为恶意,都会给矿工造成巨大的损失。

比特元POS共识特点:

(1)相较于POW、POC等共识机制免去了共识共识过程中不必要的资源浪费,如存储浪费、算力浪费等。

(2)智能合约执行1/N的选票逻辑确保了出块的公平公正

(3)惩罚机制的设计,确保矿工正向运作,保证主网运行安全

其二比特元在区块产生中能够产生公平的随机数,保证链上应用随机数调用的安全,体现Safe
针对游戏等应用场景,在区块链上为了体现公平性,就需要一个不能被预测的随机数,来保证公平公正。

目前的区块链大体有如下实现方案:
(1) 合约中调用外部中心化的随机数发生器获取随机数;

(2) 使用区块 hash 中的某些值作为随机数。

但是这两种方案都有非常明显的弊端,原因在于:
(1) 区块链多节点之间智能合约执行结果是要求强一致的,如果合约从外部读取数据,是很有可能获取到不同结果的(比如网络原因导致有的节点读取正常,有的返回错误)进而导致分叉。

(2) 区块的哈希可以被控制,导致随机数被控制。由于一些区块链系统没有提供很好的随机数算法,所以很多 DApp 开发者会自己封装自认为完美的随机数算法导致随机数被预知。

针对以上两个弊端,比特元实现了在随机数上的优化:
比特元在原来的随机数基础上引入了 VRF(Verifiable Random Functions)可验证随机函数逻辑,使得随机性进一步增强,以下是具体实现逻辑:

首先,用户使用钱包账户中的 BTY 购买票(Ticket),3000BTY 对应一票。

钱包同时生成一个 randNum,哈希过后再结合钱包挖矿地址的私钥,票对应的 index(一次可以买多张票)等元素再做两次哈希,得到一个公开哈希参数(pubHash):pubHash=hash(hash(privateKey:index:hash(randNum)))

然后,新购买的票中包含这个 pubHash 以及 randNum 并存入区块链,这张票有 12 小时的成熟期,过了 12 小时才可以参与挖矿;接着共识算法从区块链中找到已经成熟的票(Ticket)开始打包。

由于共识打包区块操作只在节点本地执行,所以它可以读取本地存储的私钥,算出一个私密哈希(privHash)并将这个参数放入到挖矿交易中:privHash = hash(privateKey:index:hash(randNum))

最后,智能合约收到挖矿交易,对比 hash(privHash)和 pubHash 的值,两者一致挖矿交易成功,对应的节点获得挖矿奖励,否则挖矿交易执行失败。

VRF 关键术语
SK, PK: VRF 中使用的公私钥对,SK 为私钥,PK 为公钥

M: 输入数据

R:VRF 哈希输出

P:VRF 证明

Prover:证明者,拥有 VRF 公私钥 PK 和 SK

Verifier:验证者,拥有 VRF 中的公钥 PK

 函数组

 包括四个函数,分为两类

生成函数

R=VRF_Hash(SK,M)

P=VRF_Proof(SK,M)

验证函数

R=VRF_P2H§

VRF_Verify(PK,M,P)

 VRF 使用流程

(1) 证明者生成一对密钥,PK 和 SK

(2) 证明者计算 R = VRF_Hash(SK,M),P = VRF_Proof(SK,M)

(3) 证明者把 R,P,PK,M 递交给验证者

(4) 验证者计算,满足 VRF_P2H(P) = R 并且 VRF_Verify(PK, M, P) = True

即验证通过,否则验证不通过

BTY 使用 VRF 实现随机性的流程
(1) SK 对应挖矿节点账户的私钥, PK 对应挖矿节点账户的公钥。

(2) 在 2019 年 BTY 升级分叉的那个高度,挖矿节点先读取前一个区块中存储的 privHash 作为输入 M,并通过 VRF 生成函数分别计算出 R 和 P。

(3) 挖矿节点将 R 和 P 写入挖矿交易中,打包进区块并广播。

(4) 所有节点收到区块,在智能合约中通过 VRF 验证函数来验证正确性(满足VRF_P2H(P) = R 并且 VRF_Verify(PK, M, P) = True 即验证通过,否则验证不通)

(5) 再往后的区块,读取前一个区块中存储的 R 作为输入 M 来计算 R 和 P。

(6) 可以看出,当前区块引入的随机数,都需要依赖于上一个区块的随机值 R ,随机值更不容易被控制,随机性大大增强。因此,SPOS 共识的实现结合了随机数,由于一般情况下是无法预测其它节点的共识信息,所以也无法获取到它的共识随机数。并且系统设定私密哈希(privHash)不能提前泄露,就算有恶意矿工自己提前暴露,它对应的票也会被作废,同时本金会被冻结较长时间(2 天以上)。再加上系统设定票需要经过 12 小时的成熟期后才可以参与挖矿,以及在共识逻辑中引入 VRF 可验证随机函数的实现,每一个区块的随机值都依赖于上一个区块的随机数 R,随机性进一步增强。

这些条件组合起来,系统的随机数几乎是无法被操控的。这样当开发者实现的 DApp 中需要保证公平随机时,就可以直接使用系统提供的这个安全的随机数了。

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