13. Single及PoW共识

13.1. 介绍

Single以及PoW属于不同类型的区块链共识算法。其中,PoW(Proof Of Work,工作量证明)是通过解决一道特定的问题从而达成共识的区块链共识算法;而Single亦称为授权共识,在一个区块链网络中授权固定的address来记账本。Single一般在测试环境中使用,不适合大规模的应用环境。PoW适用于公有链应用场景。

13.2. 算法流程

Single共识

  • 对于矿工:Single是固定 address 周期性出块,因此在调用 CompeteMaster 的时候主要判断当前时间与上一次出块时间间隔是否达到一个周期;

  • 对于验证节点:验证节点除了密码学方面必要的验证之外,还会验证矿工与本地记录的矿工是否一致;

Pow共识

  • 对于矿工:每次调用 CompeteMaster 都返回 true,表明每次调用 CompeteMaster 的结果都是矿工该出块了;

  • 对于验证节点:验证节点除了密码学方面必要的验证之外,还会验证区块的难度值是否符合要求;

13.3. 在超级链中使用Single或PoW共识

只需修改 data/config 中的创世块配置即可指定使用共识

13.3.1. 使用Single共识的创世块配置

 1{
 2    "version" : "1",
 3    "consensus" : {
 4        # 共识算法类型
 5        "type"  : "single",
 6        # 指定出块的address
 7        "miner" : "dpzuVdosQrF2kmzumhVeFQZa1aYcdgFpN"
 8    },
 9    # 预分配
10    "predistribution":[
11        {
12            "address" : "dpzuVdosQrF2kmzumhVeFQZa1aYcdgFpN",
13            "quota" : "100000000000000000000"
14        }
15    ],
16    # 区块大小限制
17    "maxblocksize" : "128",
18    # 出块周期
19    "period" : "3000",
20    # 出块奖励
21    "award" : "428100000000",
22    # 精度
23    "decimals" : "8",
24    # 出块奖励衰减系数
25    "award_decay": {
26        "height_gap": 31536000,
27        "ratio": 1
28    },
29    # 系统权限相关配置
30    "permission": {
31        "CreateAccount" : { "rule" : "NULL", "acl": {}},
32        "SetAccountAcl": { "rule" : "NULL", "acl": {}},
33        "SetContractMethodAcl": { "rule" : "NULL", "acl": {}}
34    }
35}

13.3.2. 使用PoW共识的创世块配置

 1{
 2    "version" : "1",
 3    # 预分配
 4    "predistribution":[
 5        {
 6            "address" : "Y4TmpfV4pvhYT5W17J7TqHSLo6cqq23x3",
 7            "quota" : "1000000000000000"
 8        }
 9    ],
10    "maxblocksize" : "128",
11    "award" : "1000000",
12    "decimals" : "8",
13    "award_decay": {
14        "height_gap": 31536000,
15        "ratio": 0.5
16    },
17    "genesis_consensus":{
18        "name": "pow",
19        "config": {
20                # 默认难度值
21                "defaultTarget": "19",
22                # 每隔10个区块做一次难度调整
23                "adjustHeightGap": "10",
24                "expectedPeriod": "15",
25                "maxTarget": "22"
26        }
27    }
28}

13.4. 关键技术

Single共识的原理简单,不再赘述。

PoW共识

解决一道难题过程,执行流程如下:

  • step1 每隔一个周期判断是否接收到新的区块。若是,跳出解决难题流程,若不是,进行 step2

  • step2 判断当前计算难度值是否符合要求。若是,跳出难题解决流程,若不是难度值加1,继续 step1

伪代码如下:

 1// 在每次挖矿时,设置为true
 2// StartPowMinning
 3for {
 4    // 每隔round次数,判断是否接收到新的区块,避免与网络其他节点不同步
 5    if gussCount % round == 0 && !l.IsEnablePowMinning() {
 6        break
 7    }
 8    // 判断当前计算难度值是否符合要求
 9    if valid = IsProofed(block.Blockid, targetBits); !valid {
10        guessNonce += 1
11        block.Nonce = guessNonce
12        block.Blockid, err = MakeBlockID(block)
13        if err != nil {
14            return nil, err
15        }
16        guessCount++
17        continue
18    }
19    break
20}
21// valid为false说明还没挖到块
22// l.IsEnablePowMinning() == true  --> 自己挖出块
23// l.IsEnablePowMinning() == false --> 被中断
24if !valid && !l.IsEnablePowMinning() {
25    l.xlog.Debug("I have been interrupted from a remote node, because it has a higher block")
26    return nil, ErrMinerInterrupt
27}

计算当前区块难度值过程,执行流程如下:

  • step1 判断当前区块所在高度是否比较小。若是,直接复用默认的难度值,跳出计算区块难度值过程,若不是,继续 step2

  • step2 获取当前区块的前一个区块的难度值;

  • step3 判断当前区块是否在下一个难度调整周期范围内。若是,继续 step4 ;若不是,继续 step5

  • step4 获取当前区块的前一个区块的难度值,并计算经历N个区块,预期/实际消耗的时间,并根据公式调整难度值,跳出计算区块难度值过程;

  • step5 如果当前区块所在高度在下一次区块难度调整的周期范围内,直接复用前一个区块的难度值,跳出计算区块难度值过程;

伪代码如下:

 1func (pc *PowConsensus) calDifficulty(curBlock *pb.InternalBlock) int32 {
 2    // 如果当前区块所在高度比较小,直接复用默认的难度值
 3    if curBlock.Height <= int64(pc.config.adjustHeightGap) {
 4        return pc.config.defaultTarget
 5    }
 6    height := curBlock.Height
 7    preBlock, err := pc.getPrevBlock(curBlock, 1)
 8    if err != nil {
 9        pc.log.Warn("query prev block failed", "err", err, "height", height-1)
10        return pc.config.defaultTarget
11    }
12    // 获取当前区块前一个区块的难度值
13    prevTargetBits := pc.getTargetBitsFromBlock(preBlock)
14    // 如果当前区块所在高度恰好是难度值调整所在的高度周期
15    if height%int64(pc.config.adjustHeightGap) == 0 {
16        farBlock, err := pc.getPrevBlock(curBlock, pc.config.adjustHeightGap)
17        if err != nil {
18            pc.log.Warn("query far block failed", "err", err, "height", height-int64(pc.config.adjustHeightGap))
19            return pc.config.defaultTarget
20        }
21        // 经历N个区块,预期消耗的时间
22        expectedTimeSpan := pc.config.expectedPeriod * (pc.config.adjustHeightGap - 1)
23        // 经历N个区块,实际消耗的时间
24        actualTimeSpan := int32((preBlock.Timestamp - farBlock.Timestamp) / 1e9)
25        pc.log.Info("timespan diff", "expectedTimeSpan", expectedTimeSpan, "actualTimeSpan", actualTimeSpan)
26        //at most adjust two bits, left or right direction
27        // 避免难度值调整太快,防止恶意攻击
28        if actualTimeSpan < expectedTimeSpan/4 {
29            actualTimeSpan = expectedTimeSpan / 4
30        }
31        if actualTimeSpan > expectedTimeSpan*4 {
32            actualTimeSpan = expectedTimeSpan * 4
33        }
34        difficulty := big.NewInt(1)
35        difficulty.Lsh(difficulty, uint(prevTargetBits))
36        difficulty.Mul(difficulty, big.NewInt(int64(expectedTimeSpan)))
37        difficulty.Div(difficulty, big.NewInt(int64(actualTimeSpan)))
38        newTargetBits := int32(difficulty.BitLen() - 1)
39        if newTargetBits > pc.config.maxTarget {
40            pc.log.Info("retarget", "newTargetBits", newTargetBits)
41            newTargetBits = pc.config.maxTarget
42        }
43        pc.log.Info("adjust targetBits", "height", height, "targetBits", newTargetBits, "prevTargetBits", prevTargetBits)
44        return newTargetBits
45    } else {
46        // 如果当前区块所在高度在下一次区块难度调整的周期范围内,直接复用前一个区块的难度值
47        pc.log.Info("prev targetBits", "prevTargetBits", prevTargetBits)
48        return prevTargetBits
49    }
50}