POS & POW 混合共识 - 好文

<>POS & POW 混合共识

点点币PPCoin、新星币NovaCoin、雅币YaCoin、比特存储、黑币早期都采用POW+POS结合的模式。

点点币PPCoin首次实现POS(年利率1%)
新星币NVC助力POS(年利率5%)
雅币YaCoin(年利率5%)

新星币：https://github.com/novacoin-project/novacoin
<https://github.com/novacoin-project/novacoin>
黑币：https://github.com/CoinBlack/blackcoin
<https://github.com/CoinBlack/blackcoin>
比特存储：https://github.com/UnitedBitcoin/UnitedBitcoin
<https://github.com/UnitedBitcoin/UnitedBitcoin>

业内提出了PoS（Proof of Stake）的思想：

* 把生产block的工作交给拥有更多token的人，拥有的越多，作为block producer的概率越高
* 生产block的过程中得到token奖励，可以理解为持有token带来的利息
* 拥有大量token的人如果攻击网络，则会造成token价格的下降，对这些人是不利的，所以这些block producer攻击网络的意愿较低
* 生产block只需证明自己持有的token即可，不需要消耗多少算力，节约能源
围绕以上PoS的思想，各个区块链系统有不同的PoS实现，以下将依次介绍。

<>Peercoin PoS v1

最初的一版PoS由Peercoin设计实现[8]。其中，用户要产出block必须满足以下条件:
hash(stake_modifier, current_time, UTXO) < coin(UTXO) * age(UTXO) * difficulty
具体解释如下：

*
用户在每一秒时间（current_time），遍历自己所有的UTXO，代入上述公式中，看是否能满足不等式条件；如果满足，就把相应的UTXO记录在block中，并发布block（见4）
* stake_modifier是对前一个block中部分字段hash后的值，加入这一项是为了防止用户提前预知自己何时有权挖矿
* difficulty会根据近期的block产出时间动态调整，保证block产出时间间隔稳定
* 由于每秒只需要完成和自己UTXO数量相等的hash计算，所以需要的算力较低
*
从不等式可以看出，持有的UTXO越多、UTXO中token数额越大（coin(UTXO)）、UTXO持有时间越长（age(UTXO)，或称之为币龄），不等式越容易成立，越容易进行挖矿
* 生成block的奖励设置为了coin(UTXO) * age(UTXO)，即UTXO数额越大持有时间越长，奖励越高
*
为了将符合条件的UTXO记录进block，并且兼容原本的PoW模式，Peercoin设计了coinstake的逻辑：保留原本第一个transaction为coinbase，但要求输入数量必须等于1，且输入的prev.out字段必须置空值，输出数量必须大于等于1；令第二个transaction为coinstake，要求输入数量大于等于1，且第一个输入为满足条件的UTXO，输出数量大于等于2，且第一个输出必须置空值，第二个输出为block奖励。
币基结构图：

该版本的PoS面临着如下的问题：

*
因为构造新的block没有算力成本，所以当区块链出现fork的时候，用户有可能会倾向于同时在多个branch一起挖矿来获得潜在更高的收益，这样制造了大量的分支，破坏了一致性。这个问题多次被以太坊团队提及，并称之为nothing
at stake问题，以太坊在其PoS方案CASPER中致力于解决该问题
* 出现了攒币龄的现象，即关闭节点，直到age(UTXO)足够大的时候再启动节点挖矿，从而节省电力，这样引起了在线节点数太少系统脆弱的问题
* 可以攒够足够的币龄后，保证自己有足够的UTXO能够连续生产block，从而发动double-spend攻击
<>Blackcoin PoS v2

Blackcoin在Peercoin的基础上进行了修改，从而缓解了上述问题，主要改动如下：

*
去掉了不等式公式右边的age(UTXO)，从而解决了问题3中攒币龄然后进行double-spend的现象；但是block奖励还是使用了币龄，因此并不能完全解决问题2中节点关闭的现象。
* 优化了stake_modifier的计算逻辑，让用户提前预知自己有权挖矿时间的难度更大了。
<>Blackcoin & Qtum PoS v3

Blackcoin又在v2的基础上改进得到了v3，然后Qtum对v3又进行了修改并应用。主要改动点描述如下：

* 把block奖励改成固定值，解决了问题2
* 规定500个block之前的UTXO才能参与挖矿，缓解挖矿过于频繁带来的潜在风险
<>代码流程图

<>Blackcoin 黑币 POS 流程
ThreadStakeMinerminermainwalletkernelCreateNewBlockGetNextTargetRequired
SignBlockCreateCoinStakeSelectCoinsForStakingCheckKernelCheckStakeKernelHash
CheckStakeCheckProofOfStakeIsConfirmedInNPrevBlocksProcessBlockCheckBlock
AcceptBlockThreadStakeMinerminermainwalletkernel
<>UBTC 比特存储 POS 流程
ThreadStakeMinerminerPoWCWalletCreateNewBlockPosComputeBlockVersion
GetAdjustedTimeGetNextWorkRequiredPosGetNextTargetRequiredCreate coinbaseCreate
coin stakeSelectCoinsForStakingCheckKernelCheckProofOfStakeTestBlockValidity
CheckStakeProcessNewBlockThreadStakeMinerminerPoWCWallet

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