本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「區(qū)塊鏈研究實(shí)驗(yàn)室」，作者鏈三豐。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系區(qū)塊鏈研究實(shí)驗(yàn)室公眾號(hào)。

隨著區(qū)塊鏈給世界市場(chǎng)帶來(lái)的革命，在作出預(yù)測(cè)之前了解基礎(chǔ)知識(shí)至關(guān)重要。在本文中，我們將探討權(quán)益證明的基礎(chǔ)知識(shí)，該證明是一種區(qū)塊鏈協(xié)議，類似于一種在區(qū)塊鏈中偽造新區(qū)塊的彩票方法。

本文的主要目標(biāo)如下：

• 了解區(qū)塊鏈領(lǐng)域的當(dāng)前性能趨勢(shì)。
• 通過(guò)GoLang中的一個(gè)工作示例學(xué)習(xí)權(quán)益證明。
• 升級(jí)您的計(jì)算機(jī)科學(xué)和Go編程技能。

這將是一個(gè)有趣的過(guò)程，讓我們開(kāi)始編寫(xiě)代碼。

了解權(quán)益證明

股權(quán)證明(PoS)的基礎(chǔ)實(shí)際上很簡(jiǎn)單。當(dāng)然，該系統(tǒng)的核心組件是區(qū)塊鏈本身。簡(jiǎn)而言之，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)不變的分類賬，每個(gè)單獨(dú)的區(qū)塊都是從之前的區(qū)塊以密碼方式構(gòu)建的。您永遠(yuǎn)都無(wú)法更改區(qū)塊鏈的任何部分，因?yàn)檫B接到網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)人都可以輕松看到更改并駁斥您的區(qū)塊鏈版本。

在過(guò)程中創(chuàng)造新的塊是由您的區(qū)塊鏈協(xié)議定義，比特幣是基于工作量證明(PoW)協(xié)議構(gòu)建的，當(dāng)中需要越來(lái)越多的計(jì)算能力才能通過(guò)數(shù)學(xué)過(guò)程驗(yàn)證以前的交易，所以每次您驗(yàn)證區(qū)塊中包含的交易列表時(shí)，都會(huì)以比特幣的形式獲得獎(jiǎng)勵(lì)。

因此，交易歷史的證明在于您所從事的工作量，而完成這項(xiàng)工作的人稱為“礦工”。PoW的一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題是，隨著時(shí)間的流逝，解決這些數(shù)學(xué)難題所需的巨大計(jì)算能力。

權(quán)益證明在根本上是不同的，所以您無(wú)需在核算和擴(kuò)展區(qū)塊鏈上具有計(jì)算能力，而可以在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上“占用”一定數(shù)量的令牌(不一定是加密貨幣)。通常情況可以通過(guò)創(chuàng)建自己的“節(jié)點(diǎn)”來(lái)完成的，以方便您參與區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)。

如果節(jié)點(diǎn)采取勤懇的工作態(tài)度，您將有更大的機(jī)會(huì)在區(qū)塊鏈中創(chuàng)造一個(gè)新的區(qū)塊，并獲得原始返還的獎(jiǎng)勵(lì)。被選擇偽造下一個(gè)區(qū)塊的可能性也與您在網(wǎng)絡(luò)上投入的令牌數(shù)量成比例增加;反之如果采取散惰的工作態(tài)度，您的賭注可能會(huì)受到處罰甚至被完全撤回。這種獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰方法旨在促進(jìn)區(qū)塊鏈中的誠(chéng)實(shí)工作，而沒(méi)有與工作量證明相關(guān)的計(jì)算可擴(kuò)展性瓶頸。

現(xiàn)在我們已經(jīng)有了PoS與PoW的概念概念，讓我們繼續(xù)在Go中編寫(xiě)一個(gè)有效的PoS示例。

Go中的權(quán)益證明

導(dǎo)入“區(qū)塊鏈”

首先，除了定義自定義對(duì)象類型外，我們還需要在項(xiàng)目中包含一些Go包。這是您需要的軟件包-我們將使用math/rand，crypto/sha256以及encoding/hex用于加密區(qū)塊鏈方法。當(dāng)然，這errors是Go的標(biāo)準(zhǔn)!

package main 
 
import ( 
  "crypto/sha256" 
  "encoding/hex" 
  "errors" 
  "fmt" 
  "log" 
  math "math/rand" 
  "time" 
) 

接下來(lái)是我們的自定義數(shù)據(jù)類型。使用Go可以使此超級(jí)簡(jiǎn)單structs。在這里我們有3個(gè)習(xí)慣types，第一個(gè)是PoSNetwork我們有一個(gè)Blockchain字段，該字段是對(duì)實(shí)例的引用的數(shù)組Block struct。我們將通過(guò)BlockchainHead字段跟蹤最近添加的塊，并且還將有一系列對(duì)的引用以Node struct用作Validators。

type PoSNetwork struct { 
  Blockchain     []*Block 
  BlockchainHead *Block 
  Validators     []*Node 
} 
 
type Node struct { 
  Stake   int 
  Address string 
} 
 
type Block struct { 
  Timestamp     string 
  PrevHash      string 
  Hash        string 
  ValidatorAddr string 
} 

該Node結(jié)構(gòu)將具有一個(gè)Stake字段，該字段代表它添加到網(wǎng)絡(luò)中的令牌數(shù)量。該地址將是一個(gè)隨機(jī)生成的字符串，以便我們可以跟蹤哪個(gè)節(jié)點(diǎn)成功驗(yàn)證了下一個(gè)塊。

最后，Block struct將包含跟蹤區(qū)塊鏈所需的信息。Timestamp創(chuàng)建該塊時(shí)，我們將有一個(gè)for，來(lái)自上一個(gè)塊的前一個(gè)哈希，Hash表示自身以及Node驗(yàn)證此塊的的地址-所有type string。

逐塊建造區(qū)塊鏈磚

這是我們構(gòu)建區(qū)塊鏈的第一種方法。首先，在函數(shù)簽名中，將此方法附加到，PoSNetwork struct并將該結(jié)構(gòu)引用為n。然后，我們Node將對(duì)a的引用作為唯一參數(shù)。我們將返回一個(gè)新的Block引用數(shù)組來(lái)表示new Blockchain，對(duì)a的引用Block將是new BlockchainHead，以及可能出現(xiàn)error毛病的可能。

您會(huì)看到，ValidateBlockchain()我們甚至在嘗試添加任何內(nèi)容之前就立即調(diào)用了該方法。稍后我們將進(jìn)行驗(yàn)證，但是只要知道我們發(fā)現(xiàn)要更改的區(qū)塊鏈，就會(huì)知道有邏輯要懲罰a Node。

func (n PoSNetwork) GenerateNewBlock(Validator *Node) ([]*Block, *Block, error) { 
  if err := n.ValidateBlockchain(); err != nil { 
    Validator.Stake -= 10 
    return n.Blockchain, n.BlockchainHead, err 
  } 
 
  currentTime := time.Now().String() 
 
  newBlock := &Block { 
    Timestamp: currentTime, 
    PrevHash: n.BlockchainHead.Hash, 
    Hash: NewBlockHash(n.BlockchainHead), 
    ValidatorAddr: Validator.Address, 
  } 
 
  if err := n.ValidateBlockCandidate(newBlock); err != nil { 
    Validator.Stake -= 10 
    return n.Blockchain, n.BlockchainHead, err 
  } else { 
    n.Blockchain = append(n.Blockchain, newBlock) 
  } 
  return n.Blockchain, newBlock, nil 
} 

在檢查Blockchain是否完好無(wú)損之后，我們獲得了系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間，將其存儲(chǔ)為T(mén)imestamp實(shí)例化new時(shí)的時(shí)間Block。我們還附上了Hash以前值，您可以輕松訪問(wèn)BlockchainHead。之后我們將在NewBlockHash()上調(diào)用方法BlockchainHead，并將輸入的地址分配N(xiāo)ode為我們的驗(yàn)證器地址。

一旦新塊的字段被填滿，我們調(diào)用ValidateBlockCandidate()上新Block，看看有沒(méi)有錯(cuò)誤。如果有，我們返回一層。如果沒(méi)有，我們將把新塊附加到區(qū)塊鏈上。

但是，NewBlockHash()是如何工作的呢?我們有兩個(gè)函數(shù)來(lái)完成為每個(gè)塊創(chuàng)建唯一Hash的任務(wù)。函數(shù) New Block Hash ()只是獲取 Block 的所有信息，并將其連接成一個(gè)字符串傳遞給 new Hash ()。

func NewBlockHash(block *Block) string { 
  blockInfo := block.Timestamp + block.PrevHash + block.Hash + block.ValidatorAddr 
  return newHash(blockInfo) 
} 
 
func newHash(s string) string { 
  h := sha256.New() 
  h.Write([]byte(s)) 
  hashed := h.Sum(nil) 
  return hex.EncodeToString(hashed) 
} 

接下來(lái)，newHash()將利用該crypto/sha256包創(chuàng)建一個(gè)存儲(chǔ)為的新SHA256對(duì)象h。然后，我們將輸入字符串s轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組，并將其寫(xiě)入h。最后，我們使用h.Sum()讓h進(jìn)入的格式，我們可以調(diào)用hex.EncodeToString()，使我們有一個(gè)string為我們的最終輸出。

驗(yàn)證我們的區(qū)塊鏈

如果你不能驗(yàn)證，則區(qū)塊鏈就沒(méi)有用。在這里，我們將ValidateBlockchain()方法附加到PoSNetwork結(jié)構(gòu)，并返回一個(gè)可能的錯(cuò)誤。如果區(qū)塊鏈?zhǔn)强盏幕蛘咧挥幸粋€(gè)區(qū)塊，我們無(wú)法確保它是正確的所以我們只返回nil。

接下來(lái)，我們?cè)u(píng)估區(qū)塊鏈中每對(duì)塊之間的三個(gè)獨(dú)立條件。第一個(gè)檢查是前一個(gè)塊的哈希值是否等于當(dāng)前塊為它的前一哈希值存儲(chǔ)的值。

func (n PoSNetwork) ValidateBlockchain() error { 
  if len(n.Blockchain) <= 1 { 
    return nil 
  } 
 
  currBlockIdx := len(n.Blockchain)-1 
  prevBlockIdx := len(n.Blockchain)-2 
 
  for prevBlockIdx >= 0 { 
    currBlock := n.Blockchain[currBlockIdx] 
    prevBlock := n.Blockchain[prevBlockIdx] 
    if currBlock.PrevHash != prevBlock.Hash { 
      return errors.New("blockchain has inconsistent hashes") 
    } 
 
    if currBlock.Timestamp <= prevBlock.Timestamp { 
      return errors.New("blockchain has inconsistent timestamps") 
    } 
 
    if NewBlockHash(prevBlock) != currBlock.Hash { 
      return errors.New("blockchain has inconsistent hash generation") 
    } 
    currBlockIdx-- 
    prevBlockIdx-- 
  } 
  return nil 
} 

我們還要檢查是否在任何點(diǎn)上一個(gè)塊的時(shí)間戳比當(dāng)前塊新。如果當(dāng)前的Block是在2020年制造的，但之前的Blot是在2021年制造，此時(shí)就知道出問(wèn)題了。

最后，我們還要直接計(jì)算Hash前一個(gè)的Block，我們?nèi)匀粫?huì)取回Hash當(dāng)前的Block。如果滿足這些條件中的任何一個(gè)，則error由于我們的區(qū)塊鏈處于篡改狀態(tài)，我們將返回。

現(xiàn)在我們已經(jīng)驗(yàn)證了整個(gè)區(qū)塊鏈，我們需要確保要添加的下一個(gè)Block也是有效的。遵循與上述相同的條件檢查，僅適用于要添加的單個(gè)新塊。

func (n PoSNetwork) ValidateBlockCandidate(newBlock *Block) error { 
  if n.BlockchainHead.Hash != newBlock.PrevHash { 
    return errors.New("blockchain HEAD hash is not equal to new block previous hash") 
  } 
 
  if n.BlockchainHead.Timestamp >= newBlock.Timestamp { 
    return errors.New("blockchain HEAD timestamp is greater than or equal to new block timestamp") 
  } 
 
  if NewBlockHash(n.BlockchainHead) != newBlock.Hash { 
    return errors.New("new block hash of blockchain HEAD does not equal new block hash") 
  } 
  return nil 
} 

現(xiàn)在我們已經(jīng)完成了向區(qū)塊鏈添加新區(qū)塊以及驗(yàn)證其正確性的步驟。那么，我們?nèi)绾螞Q定何時(shí)添加新塊?

這就是我們的驗(yàn)證器起作用的地方，對(duì)于每個(gè)與網(wǎng)絡(luò)有利益關(guān)系的節(jié)點(diǎn)，我們將通過(guò)抽獎(jiǎng)方法隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以偽造區(qū)塊鏈中的下一個(gè)區(qū)塊并獲得獎(jiǎng)勵(lì)。

首先，我們首先需要一個(gè)Node。要添加新的Node給我們的PoSNetwork，我們稱之為NewNode()它接受的初始股份Node，并返回一個(gè)新的數(shù)組Node引用。這里沒(méi)有什么幻想，我們只是追加到n.Validators數(shù)組并調(diào)用randAddress()以為new生成唯一地址Node。

func (n PoSNetwork) NewNode(stake int) []*Node { 
  newNode := &Node{ 
    Stake:   stake, 
    Address: randAddress(), 
  } 
  n.Validators = append(n.Validators, newNode) 
  return n.Validators 
} 
 
func randAddress() string { 
  b := make([]byte, 16) 
  _, _ = math.Read(b) 
  return fmt.Sprintf("%x", b) 
} 

那么，我們?nèi)绾螌?shí)際選擇獲勝者呢?有一點(diǎn)概率和統(tǒng)計(jì)信息!在該SelectWinner()方法中，我們首先通過(guò)覆蓋范圍找到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)持有的全部股份n.Validators。我們還將所有權(quán)益大于零的節(jié)點(diǎn)添加到數(shù)組中winnerPool以進(jìn)行可能的選擇。

如果發(fā)現(xiàn)winnerPool為空，則返回error。。然后，我們使用該Intn()方法選擇一個(gè)中獎(jiǎng)號(hào)碼，該方法將從0到我們的總投注額之間選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)。

func (n PoSNetwork) SelectWinner() (*Node, error) { 
  var winnerPool []*Node 
  totalStake := 0 
  for _, node := range n.Validators { 
    if node.Stake > 0 { 
      winnerPool = append(winnerPool, node) 
      totalStake += node.Stake 
    } 
  } 
  if winnerPool == nil { 
    return nil, errors.New("there are no nodes with stake in the network") 
  } 
  winnerNumber := math.Intn(totalStake) 
  tmp := 0 
  for _, node := range n.Validators { 
    tmp += node.Stake 
    if winnerNumber < tmp { 
      return node, nil 
    } 
  } 
  return nil, errors.New("a winner should have been picked but wasn't") 
} 

最后一部分是概率發(fā)揮作用的地方。為了使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有Stake與網(wǎng)絡(luò)中的總數(shù)成正比的獲勝機(jī)會(huì)，我們將Stake電流的增量累加Node到tmp變量中。如果在任何時(shí)候獲勝的數(shù)字小于tmp，Node則被選為我們的獲勝者。

匯集全部

我們現(xiàn)在所需要的就是將我們的函數(shù)和數(shù)據(jù)類型綁定在一起。我們?cè)趍ain()函數(shù)中做好所有的事情,第一步是設(shè)置一個(gè)隨機(jī)種子與當(dāng)前時(shí)間作為我們的輸入。不要使用時(shí)間作為隨機(jī)種子的輸入，因?yàn)樗鼘?shí)際上會(huì)在解碼哈希輸出時(shí)引入安全漏洞。

在這個(gè)示例中，我們需要實(shí)例化一個(gè)新的ProofStake網(wǎng)絡(luò)，其中有一個(gè)被稱為Genesis塊，也就是我們所知的塊。區(qū)塊鏈中的第一個(gè)區(qū)塊。一旦我們這樣做，我們也設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的BlockchainHead等于第一個(gè)塊。

func main() { 
  // set random seed 
  math.Seed(time.Now().UnixNano()) 
 
  // generate an initial PoS network including a blockchain with a genesis block. 
  genesisTime := time.Now().String() 
  pos := &PoSNetwork{ 
    Blockchain: []*Block{ 
      { 
        Timestamp: genesisTime, 
        PrevHash: "", 
        Hash: newHash(genesisTime), 
        ValidatorAddr: "", 
      }, 
    }, 
  } 
  pos.BlockchainHead = pos.Blockchain[0] 
 
  // instantiate nodes to act as validators in our network 
  pos.Validators = pos.NewNode(60) 
  pos.Validators = pos.NewNode(40) 
 
  // build 5 additions to the blockchain 
  for i := 0; i < 5; i++ { 
    winner, err := pos.SelectWinner() 
    if err != nil { 
      log.Fatal(err) 
    } 
    winner.Stake += 10 
    pos.Blockchain, pos.BlockchainHead, err = pos.GenerateNewBlock(winner) 
    if err != nil { 
      log.Fatal(err) 
    } 
    fmt.Println("Round ", i) 
    fmt.Println("\tAddress:", pos.Validators[0].Address, "-Stake:", pos.Validators[0].Stake) 
    fmt.Println("\tAddress:", pos.Validators[1].Address, "-Stake:", pos.Validators[1].Stake) 
  } 
 
  pos.PrintBlockchainInfo() 
} 

然后，我們添加兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)作為驗(yàn)證器與60和40令牌作為他們的初始股份。在五次迭代中，我們將為區(qū)塊鏈選擇一個(gè)新的贏家，如果有任何錯(cuò)誤，我們的程序?qū)⒈罎?因?yàn)樽鲈臀覀兺ㄟ^(guò)新選擇的贏家產(chǎn)生一個(gè)新的塊，并打印出每一輪的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的總樁。

最后，我們將打印出我們新制作的區(qū)塊鏈:

$ go run main.go  
Round  0 
        Address: f8d44bb083078de97b8428f4f9548130 -Stake: 70 
        Address: de6ae18584f02b3388569191a04a4b4a -Stake: 40 
Round  1 
        Address: f8d44bb083078de97b8428f4f9548130 -Stake: 70 
        Address: de6ae18584f02b3388569191a04a4b4a -Stake: 50 
Round  2 
        Address: f8d44bb083078de97b8428f4f9548130 -Stake: 80 
        Address: de6ae18584f02b3388569191a04a4b4a -Stake: 50 
Round  3 
        Address: f8d44bb083078de97b8428f4f9548130 -Stake: 90 
        Address: de6ae18584f02b3388569191a04a4b4a -Stake: 50 
Round  4 
        Address: f8d44bb083078de97b8428f4f9548130 -Stake: 100 
        Address: de6ae18584f02b3388569191a04a4b4a -Stake: 50 
Block 0 Info: 
        Timestamp: 2021-04-12 MDT m=+0.000120025 
        Previous Hash:  
        Hash: c5d04de14efed52ce84889c6382f9d307d5b98093d93a84b419478 
        Validator Address:  
Block 1 Info: 
        Timestamp: 2021-04-12 MDT m=+0.000277288 
        Previous Hash: c5d04de14efed52ce84889c6382f9d307d5b98093d93a 
        Hash: d58e90a75b71ac62ef938fc0148314a7f864ad50bd702f959e2d27 
        Validator Address: f8d44bb083078de97b8428f4f9548130 
Block 2 Info: 
        Timestamp: 2021-04-12 MDT m=+0.000306562 
        Previous Hash: d58e90a75b71ac62ef938fc0148314a7f864ad50bd702 
        Hash: e6bfdd6c2c869607e2d9a81b84ddf4478756fedff78a03746cde11 
        Validator Address: de6ae18584f02b3388569191a04a4b4a 
Block 3 Info: 
        Timestamp: 2021-04-12 MDT m=+0.000321755 
        Previous Hash: e6bfdd6c2c869607e2d9a81b84ddf4478756fedff78a0 
        Hash: 8e3dbacc4a610b1665658bc9e7238963eda0d5bbbf3ce809e8fa6e 
        Validator Address: f8d44bb083078de97b8428f4f9548130 
Block 4 Info: 
        Timestamp: 2021-04-12 MDT m=+0.000333024 
        Previous Hash: 8e3dbacc4a610b1665658bc9e7238963eda0d5bbbf3ce 
        Hash: 22760f8deb96c354a4050a3c48741be062bccfa9c51571c170065a 
        Validator Address: f8d44bb083078de97b8428f4f9548130 
Block 5 Info: 
        Timestamp: 2021-04-12 MDT m=+0.000347521 
        Previous Hash: 22760f8deb96c354a4050a3c48741be062bccfa9c5157 
        Hash: d2a5047f7d8a7696c1d0fb9ec49b56d2e71bbcedaaebc83a18b7a5 
        Validator Address: f8d44bb083078de97b8428f4f9548130