内置权益证明加密货币第1部分：基本结构

未知来源阅读 83 2014-12-20 14:03

(注：本文为ConsensusResearch系列文章中第一篇的翻译。ConsensusResearch是一个PoS模型的独立研究组织，主要由数学博士andruiman和计算机科学博士kushti(Alexander Chepurnoy, http://chepurnoy.org, 也是Nxt核心开发人员之一）组成。ConsensusResearch论坛：https://nxtforum.org/consensus-research/ )

https://github.com/xiongzm/articles-papers/blob/master/articles/inside-pos-1.md

内置权益证明加密货币第1部分：基本结构

前言

纯权益证明(PoS)机制和混合权益证明机制加密货币目前正处于上升的趋势之中。以最著名的纯POS机制的加密货币Nxt为例，目前Nxt已经有几十个分叉版本（其中一些非常有前景）；Ethereum团队也在探索混合PoS/PoW机制挖矿原理，还有很多PoS型加密货币。与此同时，在概念方面也存在很多忧虑，没有足够好的正式形式说明。比如，有名的最为不幸的 “无风险”(Nothing at Stake)攻击至今仍然没有很好的描述和说明。可怕的是不论权益证明好的方面还是不好的方面，目前其背后都没有形成良好的模型和形式化的描述。这一系列文章的挑战就是在这方面取得了一些进展。

前提条件

我假设您已经了解比特币和工作证明挖矿的一些简单常识。最好还有基本的编码技术以理解一些代码片段。Haskell编程语言（Haskell知识不是必须的）在文中被用来进行代码片段描述。我们将从尽可能简单的模型开始。我偏向于从最简单的事情逐步深入到更难一点的问题，而不是从一开始就进入最复杂的情况。

时间

维基百科将时间定义为“一种量度，事件可以通过过去，经由现在到达未来而可以排序，也是事件持续过程以及事件之间的间隔的一种测量”。在分布式环境中，因为时钟的同步以及事件的排序等等问题，时间的处理是一件很头痛的事情。幸运的是基于区块链的网络使得一些问题更加容易。因此，我们的模型可以更加简易：我们假设系统中所有时钟全部完美同步！即便如此，因为区块链网络的特性，在模型质量方面我们也不会损失太多。稍后我们将引入局部时间。

在我们的方法中，时间定义为以秒为单位，自创世块后经历的秒数，因此我们第一个对象定义相当简单：

type Timestamp = Integer

交易模型

比特币类模型中交易具有与其他交易输出相关联的交易输入部分，和它自己的输出（可能没有花费掉），与此不同，我们将从更简单的情况开始。首先，我们引入账户对象：

data Account =

Account {

balance :: Integer,

publicKey :: ByteString,

isForging :: Bool

}

账户中具有明确定义的账户余额。相比于真实的加密货币，这里有很多简化的东西，尤其是：

我们这里没有地址。在真实货币中，地址是hash(公钥)，然而我们使用公钥本身作为地址。

我们甚至不使用私钥！在交易签名中需要使用私钥，这不是我们现在研究考虑的范围。

描述完时间和账户对象后，我们可以对交易进行如下的定义：

data Transaction =

Transaction {

sender :: Account,

recipient :: Account,

amount :: Integer,

fee :: Integer,

txTimestamp :: Timestamp

}

当然，现在离实际应用还差得很远。上面定义的交易中没有id, 甚至没有签名，因此任何人都可以很容易的印钱。

铸币

在权益证明型加密货币中没有第三方矿工，然而，股东可以是区块生成者。与工作证明型货币中的挖矿相对应的，我们则使用铸币。两者意义相当，但是：铸币是区块生成的一个过程。还记得上述的账户定义吗？isForging数据域表示账户是否正在参与铸币。

区块链

我们知道在每种加密货币中交易被打包进入区块中。从下面的区块定义开始，权益证明的本质开始在我们模型中显现：

data Block =

Block {

transactions :: [Transaction],

generator :: Account,

blockTimestamp :: Timestamp

baseTarget :: Integer,

generationSignature :: ByteString

}

其中transactions和blockTimestamp数据域显而易见。generator是生成这个区块的账户。baseTarget和generationSignature数据域与铸币算法相关，我们将在本系列文章的下一章中进行解释。

区块链则是由区块组成的序列：

data BlockChain = BlockChain { blocks :: [Block] }

有效余额

在权益证明中生成区块的概率依赖于账户的余额。在Nxt这一类加密货币中，其概率则是有效余额的函数。比如，在Nxt中，账户的有效余额是自上一个区块之前1440个区块时的余额减去这1440个区块区间的所有花费，再加上其他账户授权给该账户铸币的额度。我们可以有如下简单的定义：

effectiveBalance :: Account -> Integer

effectiveBalance acc = balance acc

因此我们的模型中有效余额就仅仅只是当前的余额。

网络

到目前为止我们还没有谈到点对点p2p网络。网络中第一个需要定义的对象是节点：

data Node =

Node {

nodeChain :: BlockChain,

unconfirmedTxs :: [Transaction],

account :: Account

}

同样，我们进行了一些简化：

* 每个节点仅有一个区块链(这一点对于目前Nxt的参考软件实现的确是事实)

* 每个节点只有一个账户

接下来，定义连接(Connection)对象为节点的一个二元组：

type Connection = (Node, Node)

我们现在可以定义我们模型中最大的类型，系统：

data System =

System {

nodes :: [Node],

connections :: [Connection],

accounts :: [Account]

}

在权益证明型货币中通常所有的货币都是在创世块中被“印”出来的。Nxt系统中在创世块中设置的余额为10亿：

systemBalance :: Integer

systemBalance = 1000000000

分叉

和工作证明型加密货币一样，在权益证明型加密货币中也可能发生分叉。如何定义分叉呢？区块链存储在节点中，而系统有一系列的节点([Node])，因此从系统中可以提取出带有签名的区块树（具体实现在此忽略）。

blockTree :: System -> BlockTree

其中BlockTree仅仅是一系列区块链的别名：type BlockTree = [BlockChain]

为什么将一个列表称之为树呢？所有的区块链都有一些共同的前缀（至少存在共同的创世块），因此事实上我们正在处理的是树结构。然而，在系统的类型方面没有强制使用树结构，这肯定不是一个最好的设计，但是为简单起见，我们在此就这样。

性能分析

如何采用Haskell代码来帮助我们进行形式模型分析？让我们从Gavin Wood's Ethereum YellowPaper 中给出的一个属性开始：

正则区块链是从根通过区块树到叶子的一个路径。为了确定路径而达成共识，概念上我们认定为拥有最多计算量的路径，或者说是最重的路径。

正则区块链应该通过一个具有签名的函数来定义：

canonicalBlockchain :: System -> Maybe BlockChain

(同样，目前没有具体的实现)。也许区块链BlockChain可以仅仅是blockchain(因此已定义了)，或者是没有任何东西(意味着没有定义) 因此，如果函数结果是定义了一个具有正则区块链的系统，那么我们可以强制更严格的条件，比如之前一段时间的正则区块链应该是当前正则区块链的前缀。

有如下两种方式来给出关于性能的结论：

1. 我们可以做出可执行的铸币算法模型，然后收集函数结果的统计信息。

2. 我们可以将我们的Haskell模型翻译成具有支持Haskell类似的语言(比如Coq)，然后根据Curry–Howard correspondence，就可以形成定理并且证明模型属性。

以上两种方法在接下来的一章中都将展示出来。