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casper挖矿

发布时间: 2022-09-15 21:43:12

区块链共识机制之POS和DPOS

工作量证明算法作为区块链第一个也是目前经受住足够实践检验的一个共识机制,解决的是分布式系统交易信息一致性的问题,在一个去中心化的网络中构建了彼此不信任节点的信任机制,也是比特币成功应用的关键技术环节。

经过几年的实际运转,这一算法的弊端也显露出来,比特币网络每秒完成600万亿次SHA256运算,消耗了大量的电力资源,而最终这些计算没有任何实际或科学价值。这些运算存在的唯一目的是用来解决工作量证明问题,另外一个现实的威胁便是算力集中,工作量证明本质上是利用穷举法找出符合规定条件的哈希值的过程,算力越强,获得记账权(即挖到矿)的可能性便越高,一开始是最早利用显卡挖矿的人,后来是利用FPGA矿机的人,再后来是利用ASIC专用芯片挖矿的人,现在就是不断制造出更好的ASIC的人,另外还有“矿工”节点联合起来组成矿池,如Ghash,Ghash 2014年曾经发表声明,将在今后确保不超过40%的全网算力,这类自律声明是对比特币去信任机制的莫大讽刺。

比特币自诞生以来,人们便开始尝试其他除了工作量证明算法之外的其他共识机制,如具有代表性的权益证明POS、委托权益证明DPOS、拜占庭容错机制(BFT)及实用拜占庭容错机制(PBFT)等,下面将主要介绍POS和DPOS,BFT和PBFT留待下一篇。

权益证明POS

POS是一类共识算法,或者说是一类共识算法的设计思想,而不是一个,最早采用POS的是Peercoin。Peercoin是2012年8月,一个化名Sunny King的极客推出的一类加密货币,采用工作量证明机制+权益证明机制,首次将权益证明机制引入了加密货币。Peercoin引入了“币龄”的概念,每个币每天产生1币龄,比如你持有100个币,总共持有了30天,那么,此时你的币龄就为3000。当一个新的区块产生时,其他想获得记账权的节点同比特币也需要计算哈希值,得出满足条件哈希值的难易与难度值有关,这个难度值这里与币龄成反比,即你的币龄越大,得出符合条件的哈希值的概率就越大,同时你的币龄被清空,记账后系统会给予你相应“利息”,你每被清空365币龄,获得利息为:3000 * 利率 / 365,Peercoin的利率为1%,即0.08个币。

可以看出,在POS机制下,持有币越多,越容易获得记账权,接近于赢家通吃的感觉,但持有的币越多,越接近于一个诚实的节点,因为破坏整个网络带来的损失也越大。Peercoin的POS机制有一个漏洞,对于不持有币的人而言,他们本来就没什么收益,所以一些恶意攻击对于他们则是无损失的,这就是Nothing-at-stake attack(无利益攻击)。后续的比较成功的POS都引入了对付这种攻击的机制。

以太坊系统的目标是在今年引入权益证明,即Casper。在权益证明共识机制之下,用户将能够在以太坊网络拥有“币权”。用户如果诚实行事并确认了合法交易,将获得与其股权成比的利息;如果恶意行事并试图网络中作弊,就会失去其权益。

委托权益证明DPOS

委托权益证明DPOS是POS的变种,运用DPOS的典型如比特股等,其基本原理在于全网投票选出101个节点代行记账权限,这些代表节点的权限完全一致。代表节点轮流记账,可以选择创造区块或不创造区块。但他们无法改变交易的详情,恶意或者迟到的代表节点的行为也会被公之于众,那么网络可能将他们简单快速地投票驱逐出去。被驱逐出去的代表节点将会失去他们记账权限,以及对应的收入。

DPOS作为是一种弱中心化的共识机制,保留了一些中心化系统的关键优势,如交易速度等(每个块的时间为10秒,一笔交易在得到6-10个确认后大概1分钟,一个完整的101个块的周期大概仅仅需要16分钟),但每个持币者都有能力决定哪些节点可以被信任,并且事实上,代表节点会主动降低自己的收入来赢得更多投票,剩下的收入会作为股息,支付给所有的比特股持有人。DPOS有点类似于代议制民主及股份公司董事会制度,都是一种精英制度,但其身份受制于下面的民众,在DPOS中,币的持有者至少有权决定代表节点—或者说矿工的身份。

⑵ 以太坊技术系列-以太坊共识机制

区块链的特点之一是去中心化。也就是节点会分布在各个地方组成分布式系统。各个节点需要对1个问题达成一致,理想情况下,只需要同步状态即可。

如上图所示 B节点将a=1=> a=2的状态同步给  ACDE四个节点,这时系统中状态变为a=2, 但如果其中有恶意节点 AE 收到通知后把a=1=>a=3修改为错误的节点,这个时候大家的状态就不一致了,此时需要共识机制使系统中得到1个唯一正确的状态。

如上面说到分布式系统存在恶意节点导致系统中状态不一致的情况有1个比较著名的虚拟问题-拜占庭将军问题。

拜占庭将军问题是指,N个将军去攻打一座城堡,如果大于一定数量的将军同时进攻则可以攻打成功,如果小于则进攻失败。将军中可能存在叛徒。

这个时候有2种情况

1.如果2个叛徒都在BCDE中,那么共识算法需要让其余2个将军听从A的正确决策进攻城堡。

2.如果A是1个叛徒,共识算法需要让BCDE中剩余的3个忠诚将军保持一致。

这个问题有很多种解法,大家有兴趣可以自行查阅(推荐学习PBFT),我们重点来看看以太坊中目前正在使用的Nakamoto 共识和将要使用的 Casper Friendly Finality Gadget共识是如何解决拜占庭将军问题的。

说到Nakamoto共识和Casper Friendly Finality Gadget共识可能大家不太熟悉,但他们的部分组成应该都比较熟悉-POW(工作量证明)和POS(权益证明)。

POW或POS称之为Sybil抗性机制,为什么需要Sybil抗性机制呢,刚刚我们说到拜占庭将军问题,应该很容易看出恶意节点越多,达成正确共识的难度也就越大,Sybil攻击就是指1个攻击者可以伪装出大量节点来进行攻击,Sybil抗性是指抵御这种攻击能力。

POW通过让矿工或验证者投入算力,POS通过让验证者质押以太坊,如果攻击者要伪装多个节点攻击则必将投入大量的算力或资产,会导致攻击成本高于收益。在以太坊中保障的安全性是除非攻击者拿到整个系统51%算力或资产否则不可能进攻成功。

在解决完Sybil攻击后,通过选取系统中的最长链作为大家达成共识的链。

很多人平时为了简化将pow和pos认为是共识机制,这不够准确,但也说明了其重要作用,我们接下来分析pow和pos。

通过hash不可逆的特性,要求各个矿工不停地计算出某个值的hash符合某一特征,比如前多少位是000000,由于这个过程只能依赖不停的试错计算hash,所以是工作量证明。计算完成后其他节点验证的值符合hash特征非常容易验证。验证通过则成为成为合法区块(不一定是共识区块,需要在最长链中)。

以太坊中的挖矿算法用到2个数据集,1个小数据集cache,1个大数据集DAG。这2个数据集会随着区块链中区块增多慢慢变大,初始大小cache为16M DAG为1G。

我们先来看这2个数据集的生成过程

cache生成规则为有1个种子随机数seed,cache中第1个元素对seed取hash,后面数组中每个元素都是前1个元素取hash获得。

DAG生成规则为 找到cache中对应的元素后 根据元素中的值计算出下次要寻找的下标,循环256次后获得cache中最终需要的元素值进行hash计算得到DAG中元素的值。

然后我们再看看矿工如何进行挖矿以及轻节点如何验证

矿工挖矿的过程为,选择Nonce值映射到DAG中的1个item,通过item中的值计算出下次要找的下标,循环64次,得到最终item,将item中的值hash计算得到结果,结果和target比较,符合条件

则证明挖到区块,如果不符合则更换nonce继续挖矿。矿工在挖矿过程中需要将1G的DAG读取到内存中。

轻节点验证过程和矿工挖矿过程基本一致,

将块头里面的Nonce值映射到DAG中的1个item,然后通过cache数组计算出该item的值,通过item中的值计算出下次要找的下标,循环64次,得到最终item,将item中的值hash计算得到结果,结果和target比较,符合条件则验证通过。轻节点在验证过程中不需要将1G的DAG读取到内存中。每次用到DAG的item值都使用cache进行计算。

以太坊为什么需要这2个不同大小的数组进行辅助hash运算呢,直接进行hash运算会有什么问题?

如果只是进行重复计算会导致挖矿设备专业化,减少去中心化程度。因为我们日常使用的计算机内存和计算力是都需要的,如果挖矿只需要hash运算,挖矿设备则会设计地拥有超高算力,但对内存可以缩小到很小甚至没有。所以我们选用1G的大内存增加对内存访问的频率,增加挖矿设备对内存访问需求,从而更接近于我们日常使用的计算机。

我们看看在Nakamoto共识是如何解决拜占庭将军问题的。首先看看区块链中的拜占庭将军问题是什么?

区块链中需要达成一致的是哪条链为主链,虽然采用了最长链原则,但由于分叉问题,还是会带来拜占庭将军问题。

本来以太坊pow目标是抵抗51%以下的攻击,但如上图如果恶意节点沿着自己挖出的区块不断挖矿,由于主链上有分叉存在,恶意节点不需要达到51%算力就可以超过主链进而成为新的主链,为此以太坊使用了ghost协议给上图中的B1和C1也分配出块奖励,尽快合并到主链中,这样主链长度(按照合并后的总长度算,长度只是抽象概念,以太坊中按照区块权重累加)还是大于恶意节点自己挖矿的。

网络中的用户通过质押一定数量的以太坊成为验证者。每次系统从这些验证者从随机选择出区块创建者,其余验证者去验证创建出的区块是否合法。验证者会获得出块奖励,没有被选中的区块不进行验证则会被扣除一定质押币,如果进行错误验证则会被扣除全部质押币。

如上图,权益证明在每隔一定区块的地方设置一个检查点,对前面的区块进行验证,2/3验证者通过则验证通过,验证通过则该区块所在链成为最长合法链(不能被回滚)。

我们简化地只分析了权益证明本身,在以太坊中权益证明较为复杂的点在于和分片机制结合在一起时的运行流程,这部分会在后面单独将分片机制的一篇文章中详述。

本篇文章主要讨论了共识机制是解决分布式系统中的拜占庭将军问题,以及分析了以太坊中的共识机制一般包括最长链选择和一种sybil抗性机制(pow或pos)。重点分析了pow和pos的流程以及设计思想。后续将开始重点讨论智能合约的部分。

⑶ 《区块链项目开发指南》读书笔记

ethash

答:在DAPP中,没有一个中心服务器来协调节点,或者决定什么是对,什么是错,因此应对这个挑战确实不容易,一致性协议(concensus protocol)可用于解决这个问题。
补充:共识算法的核心就是解决拜占庭将军问题(分布式网络一致性问题)。

答:修改bug或者更新DAPP很困难。

如果我需要从一个中心化应用抓取数据,如车辆违章信息,怎么保证抓取的数据是真实有效的?
答:为了访问中心化的API,可以使用Oraclize服务可以作为中间人,Oraclize为从中心化服务智能合约中抓取的数据提供TLSNotary验证。

中心化应用的所有者需要有盈利才能长期维护应用的运行,而DAPP虽然没有所有者,但是跟中心化应用一样,DAPP节点需要硬件和网络资源才能维持运行。DAPP节点需要一些有用的回报来维持运行,于是内部货币登场了。大多数DAPP都有内置内部货币,或者可以说最成功的DAPP都有内置内部货币。如以太币

授权的DAPP不对所有人开放。授权的DAPP继承了免权限DAPP的全部属性,但需要权限才能参与到网络中去。授权的DAPP与免权限的DAPP的共识协议是不同的。授权的DAPP没有内部货币。
超级账本(Hyperledger)项目致力于开发创建授权的DAPP技术。

为什么少数国家认定比特币是非法的,大部分国家对此还没有做出决定呢?原因如下:

星际文件存储系统(InterPlanetary File System)是一个去中心化的文件系统。

目标是通过使交易几乎瞬间完成,并隐藏交易账户的信息,还可以防止他人用ISP追踪所有者。

任何人都可以成为以太坊网络中的矿工。每个矿工独自解决问题,第一个解决问题的矿工是胜利者,它得到的回报是5个以太币和该区块中全部交易的交易费。区块链中有多少个区块没有限制,可以生成的以太币总数也没有限制。

网络中的任何节点都可以检查区块链是否合法,首先检查交易在区块链中是否合法以及时间戳的验证情况,然后检查区块的目标值和随机数是否合法、矿工是否得到合法的回报等。

节点是如何发现网络中的其他节点的呢?
以太坊的节点发现协议:Kadelima,在这种协议中,有一种特殊节点Bootstrap节点。它保存了一段时间内与它连接的所有节点列表,但其本身不保存区块链。
当对等节点连接到以太坊网络时,它们首先连接到Bootstrap节点。
可以有多种以太坊实例,也就是说,不同的网络每个都有自己的网络ID。
两种主要的以太坊网络是主网和测试网。以太币在主网上交易,而测试网供开发人员测试。

一个去中心化的通信协议,它支持广播、用户到用户、加密信息等,但不用于传输大数据。

一个去中心化的文件系统。

geth为其他应用提供了与其通信的JSON-RPC API。使用HTTP、WebSocket和其他协议服务于JSON-RPC API。
JSON-RPC API提供的API分成如下类型:

以太坊网络中的节点默认用 30303 端口通信。

--networkid 用于指定网络ID,1代表主网网络ID,缺省默认值为1,2代表测试网络ID
--dev 标记运行一个私有网络
--etherbase 指定挖矿赚取的回报存入的钱包地址
--unlock 解锁一个或者多个账户

以太坊钱包与geth捆绑在一起。运行以太坊时,它会尝试发现一个本地geth实例并与之连接;如果它不能发现geth正在运行,它就启动自己的geth节点。以太坊钱包使用IPC与geth通信。geth支持以文件为基础的IPC。

以太坊下一个主要更新的名字。Serenity把共识协议改为casper,并将整合状态通道和分片。

Casper 实施了一个进程,使得它可以惩罚所有的恶意因素。这就是权益证明在Casper下是如何工作的:
验证者押下一定比例的他们拥有的以太币作为保证金。然后,他们将开始验证区块。也就是说,当他们发现一个可以他们认为可以被加到链上的区块的时候,他们将以通过押下赌注来验证它。
如果该区块被加到链上,然后验证者们将得到一个跟他们的赌注成比例的奖励。但是,如果一个验证者采用一种恶意的方式行动、试图做“无利害关系”的事,他们将立即遭到惩罚,他们所有的权益都会被砍掉。正如你可以看到的,Casper被设计成可以在一个无需信任的系统上工作,并且是更加拜占庭容错的。

支付通道 功能允许将两个以上向另一个账户发送以太币的交易合并成两个交易。其工作原理为:假设X是一个视频网站老板,Y是个用户。X每分钟收费1个以太币。现在X想让Y看视频期间每分钟交一次钱。当然,Y可以每分钟广播交易,但是这里有些问题,例如X不得不等待确认,所以视频就会中断一会。支付通道可以解决这个问题。使用支付通道,Y可以广播一个锁定交易,为X把一些以太币(比如100个以太币)锁定一段时间(比如24小时)。现在每看完一分钟视频,Y将发送一个签名记录表示可以解锁,一个以太币就进入X的账户,其余的进入Y的账户。再过一分钟,Y将发送一个签名记录表示可以解锁,两个以太币就进入X的账户,其余的进入Y的账户。Y观看X网站的视频过程中,该过程将持续。现在假设Y看完了100小时视频或者24小时时间到了,X将向网络广播最后的签名记录,以把钱收到自己的账户里。如果X没有在24小时内提款,全款会返还给Y。所以在区块链中,我们将看到lock和unlock两种交易。

Sybil攻击
51%攻击
补充:不能存储较大数据,目前有Swarm与IPFS等分布式存储方式可供选择

把所有东西都存在内存里,因此,节点一旦重启,将丢失以前的状态。
默认监听端口:8545

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