基於交易的權益證明機制

2012年，化名Sunny King的網友推出了Peercoin，該加密電子貨幣採用工作量證明機制發行新幣，採用權益證明機制維護網路安全，這是權益證明機制在加密電子貨幣中的首次套用。

基本介紹

• 中文名：基於交易的權益證明機制
• 外文名：Based on the trading mechanism of interest
• 時間：2012年
• 人物：Sunny King
• 套用：加密電子貨幣
• 學科：計算機

概念

2012年，化名Sunny King的網友推出了Peercoin，該加密電子貨幣採用工作量證明機制發行新幣，採用權益證明機制維護網路安全，這是權益證明機制在加密電子貨幣中的首次套用。

與要求證明人執行一定量的計算工作不同，權益證明要求證明人提供一定數量加密貨幣的所有權即可。權益證明機制的運作方式是，當創造一個新區塊時，礦工需要創建一個“幣權”交易，交易會按照預先設定的比例把一些幣傳送給礦工本身。權益證明機制根據每個節點擁有代幣的比例和時間，依據算法等比例地降低節點的挖礦難度，從而加快了尋找隨機數的速度。這種共識機制可以縮短達成共識所需的時間，但本質上仍然需要網路中的節點進行挖礦運算。因此，PoS機制並沒有從根本上解決PoW機制難以套用於商業領域的問題。

實現思路

Peercoin（點點幣，PPC）於2012年8月發布，最大創新是其採礦方式混合了POW及POS兩種方式，其中POW主要用於發行代幣，未來預計隨著挖礦難度上升，產量降低，系統安全主要由POS維護。目前區塊鏈中存在兩種類型的區塊，POW區塊和POS區塊。PPC的作者為同樣不願意公開身份的密碼貨幣極客Sunny King，同時也是Primecoin的研發者。

要掌握Peercoin的POS機制，需要重點理解Sunny King專門為PPC設計的幾個核心概念:Coinstake，Kernel，Stake Modifier，ModifierInterval，StakeReward，Coinage等。

Coinstake

為了實現POS，Sunny King專門設計了一種特殊類型交易，叫Coinstake，Coinstake的設計借鑑於中本聰的Coinbase設計。本質上Coinbase和Coinsake都是一筆交易，只是對他們的輸入、輸出做了一些硬性限制，這樣才不會擾亂系統原有的POW機制。

1） Coinbase結構要求:

（1）輸入數量必須等於1，且輸入的Prevout欄位（指定前一筆交易的輸出）必須置空值。

（2）輸出數量必須大於等於1。

2 ） Coinstake結構要求。

（1）輸入數量大於等於1，且第一個輸入的Prevout欄位不能為空，即要求Kernel必須存在。

（2）輸出數量大於等於2，且第一個輸出必須置空值。

這兩種特殊交易在區塊鏈中存放的位置也有特殊要求，中本聰規定每個區塊的第一筆交易必須放置Coinbase，反之，Coinbase不能出現在區塊的其他位置。Sunny King顯然不想破壞這個規則，他增加了一條規則，對於POS區塊，第二筆交易必須放置Coinstake，反之，Coinstake不能出現在其他地方。換言之，只要第二筆交易是Coinstake，那么這個區塊就當POS區塊來處理。

Coinbase和Coinstake都不應該被單獨廣播，而只存在於區塊中，因此客戶端節點一般都不允許進入記憶體池，當花費這兩種交易時，都需要檢測是否已經成熟。

Kernel

Coinstake的第一個輸入（Input 0）叫KernelKernel在POS機制里確實起到核心作用，合格區塊的判定與之息息相關。合格區塊表述為：

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

公式中的每一個參數都有明確的設計目的。

nS takeModifier:專門為POS設計的調節器，按照以上公式，如果沒有參數nStakeModifier當一個人收到一筆幣之後，他立即就能提前計算得知自己在未來何時可以鍛造區塊，這顯然不符合設計目標，Sunny King希望POS礦工和POW礦工一樣做盲目探索，以實時線上維護區塊鏈，nStakeModifier的設計就是為了防止POS礦工提前計算。nStakeModifier可以理解為POS區塊的一個屬性，每一個區塊對應一個nS takeModifier值，但nStakeModifier並不是每個區塊都變動，不過協定規定每隔一定時間Cmodifier interval）必須重新計算一次，取值與前一個nS takeModifier以及最新區塊哈希值有關，因此POS礦工無法提前計算，因為他不知道未來的區塊哈希值。

也就是說，在PPC系統中，除了存在區塊鏈、幣鏈（幣的交易簽名歷史），還隱藏著一個很少被提及的鏈條一一權益調節器鏈條。

值得一提的是，Sunny King是在PPC後來的版本才加入這個調節器的，一開始他使用nBits。

txPrev: Kernel對應的前一筆交易。

txPrev.block.nTime: txPrev所在區塊的時間戳，一筆交易被納入區塊的時間是交易發起者不能確定的，節點有可能通過提前計算預估到未來對自己有利的時間戳，這個參數就是為了防止節點利用這種預估優勢提前生成大批交易。

txPrev.offset: txPrev在區塊中的偏移量，用以降低網路節點同時生成Coinstake的機率。

txPrev.nTime: txPrev構造時間，設計目標如txPrev.offset。

txPrev.vout.n: Kernel在txPrev中的輸出下標，設計目標如txPrev.offset。

bnTarget:全網當前目標難度基準值，類似POW中的當前難度值，由nbits記錄。

nCoinDayWeight: Kernel消耗的幣齡，加入了一個時間權重。

Coinage

幣齡，也叫幣天，假如1.5個幣存在於區塊鏈中10天，幣齡數值為

Coinage=1.5×10=15

PPC採用幣齡，而不是直接採用餘額（Balance）來計算。

StakeReward

權益激勵，俗稱獲得利息，計算公式為：

stakeReward=Coinage×33/（365×33+8）×0.01×COIN

公式可簡化為

stakeReward=（0.01×Coinage/365）×COIN

其中，Coinage即上文說的幣齡，COIN可理解為“幣”，1 COIN即通常所說的1個幣，本質是一個常量，中本聰在比特幣系統里定義為100 000 000，如此設計主要是為了避免浮點數運算，比特幣支持8位小數源於此。

基於權益證明的交易

網路上的每一筆交易在網路中都有內含的權益證明。交易的發起者希望網路接受這筆交易，交易的接受方則會根據網路是否已經接受了該交易來決定是否發貨。很顯然，買方賣方的利益都與網路的健康安全息息相關。畢竟，如果交易無法按預期執行，這個網路就是無價值的。一個運作良好的網路在每個區塊都有幾千筆的交易。這說明有幾千個利益相關者都可以為網路的安全做出貢獻。

幣天數代表一個特定的幣距最後一次在網路上交易的時間。在給定的時間點，只存在有限的幣天數，它們在那些長期持有大量貨幣結餘的人手中持續增加。所以幣天數可被視為在網路中權益的代表（proxy）。每當這些幣有交易時，幣天數即被銷毀，因此不能被重複使用。

為了在工作量驗證系統中成功實施51%攻擊，攻擊者必須隱藏自己的替代鏈。一旦他們從第一次支付中鎖定利潤，它們就可以廣播較長的秘密鏈，使原來的交易失效。自私挖礦攻擊中也需要隱藏算出的區塊，自私挖礦攻擊在擁有遠低於51%的哈希算力時也可能是有效的。

為了防止這種行為，我們必須阻止礦工保有秘密區塊鏈。如果廣播的每一筆交易都包含最新區塊的哈希值，而且區塊鏈執行這樣的規則：交易的權益證明只能被記在該區塊所構成的區塊鏈上，這樣的話就沒有人能夠建立秘密區塊鏈以影響（leverage）公眾鏈中交易的幣銷毀天數。

現在，交易提交到某個公眾鏈，最佳的區塊鏈可以通過總銷毀幣天數來衡量，而不是通過總的工作量來衡量。