权益证明

权益证明

概念

2012年，化名Sunny King的网友推出了Peercoin，该加密电子货币采用工作量证明机制发行新币，采用权益证明机制维护网络安全，这是权益证明机制在加密电子货币中的首次应用。

与要求证明人执行一定量的计算工作不同，权益证明要求证明人提供一定数量加密货币的所有权即可。权益证明机制的运作方式是，当创造一个新区块时，矿工需要创建一个“币权”交易，交易会按照预先设定的比例把一些币发送给矿工本身。权益证明机制根据每个节点拥有代币的比例和时间，依据算法等比例地降低节点的挖矿难度，从而加快了寻找随机数的速度。这种共识机制可以缩短达成共识所需的时间，但本质上仍然需要网络中的节点进行挖矿运算。因此，PoS机制并没有从根本上解决PoW机制难以应用于商业领域的问题。

实现思路

Peercoin（点点币，PPC）于2012年8月发布，最大创新是其采矿方式混合了POW及POS两种方式，其中POW主要用于发行代币，未来预计随着挖矿难度上升，产量降低，系统安全主要由POS维护。目前区块链中存在两种类型的区块，POW区块和POS区块。PPC的作者为同样不愿意公开身份的密码货币极客Sunny King，同时也是Primecoin的研发者。

要掌握Peercoin的POS机制，需要重点理解Sunny King专门为PPC设计的几个核心概念:Coinstake，Kernel，Stake Modifier，ModifierInterval，StakeReward，Coinage等。

Coinstake

为了实现POS，Sunny King专门设计了一种特殊类型交易，叫Coinstake，Coinstake的设计借鉴于中本聪的Coinbase设计。本质上Coinbase和Coinsake都是一笔交易，只是对他们的输入、输出做了一些硬性限制，这样才不会扰乱系统原有的POW机制。

1） Coinbase结构要求:

（1）输入数量必须等于1，且输入的Prevout字段（指定前一笔交易的输出）必须置空值。

（2）输出数量必须大于等于1。

2 ） Coinstake结构要求。

（1）输入数量大于等于1，且第一个输入的Prevout字段不能为空，即要求Kernel必须存在。

（2）输出数量大于等于2，且第一个输出必须置空值。

这两种特殊交易在区块链中存放的位置也有特殊要求，中本聪规定每个区块的第一笔交易必须放置Coinbase，反之，Coinbase不能出现在区块的其他位置。Sunny King显然不想破坏这个规则，他增加了一条规则，对于POS区块，第二笔交易必须放置Coinstake，反之，Coinstake不能出现在其他地方。换言之，只要第二笔交易是Coinstake，那么这个区块就当POS区块来处理。

Coinbase和Coinstake都不应该被单独广播，而只存在于区块中，因此客户端节点一般都不允许进入内存池，当花费这两种交易时，都需要检测是否已经成熟。

Kernel

Coinstake的第一个输入（Input 0）叫KernelKernel在POS机制里确实起到核心作用，合格区块的判定与之息息相关。合格区块表述为：

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

公式中的每一个参数都有明确的设计目的。

nS takeModifier:专门为POS设计的调节器，按照以上公式，如果没有参数nStakeModifier当一个人收到一笔币之后，他立即就能提前计算得知自己在未来何时可以锻造区块，这显然不符合设计目标，Sunny King希望POS矿工和POW矿工一样做盲目探索，以实时在线维护区块链，nStakeModifier的设计就是为了防止POS矿工提前计算。nStakeModifier可以理解为POS区块的一个属性，每一个区块对应一个nS takeModifier值，但nStakeModifier并不是每个区块都变动，不过协议规定每隔一定时间Cmodifier interval）必须重新计算一次，取值与前一个nS takeModifier以及最新区块哈希值有关，因此POS矿工无法提前计算，因为他不知道未来的区块哈希值。

也就是说，在PPC系统中，除了存在区块链、币链（币的交易签名历史），还隐藏着一个很少被提及的链条一一权益调节器链条。

值得一提的是，Sunny King是在PPC后来的版本才加入这个调节器的，一开始他使用nBits。

txPrev: Kernel对应的前一笔交易。

txPrev.block.nTime: txPrev所在区块的时间戳，一笔交易被纳入区块的时间是交易发起者不能确定的，节点有可能通过提前计算预估到未来对自己有利的时间戳，这个参数就是为了防止节点利用这种预估优势提前生成大批交易。

txPrev.offset: txPrev在区块中的偏移量，用以降低网路节点同时生成Coinstake的概率。

txPrev.nTime: txPrev构造时间，设计目标如txPrev.offset。

txPrev.vout.n: Kernel在txPrev中的输出下标，设计目标如txPrev.offset。

bnTarget:全网当前目标难度基准值，类似POW中的当前难度值，由nbits记录。

nCoinDayWeight: Kernel消耗的币龄，加入了一个时间权重。

Coinage

币龄，也叫币天，假如1.5个币存在于区块链中10天，币龄数值为

Coinage=1.5×10=15

PPC采用币龄，而不是直接采用余额（Balance）来计算。

StakeReward

权益激励，俗称获得利息，计算公式为：

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

公式可简化为

stakeReward=（0.01×Coinage/365）×COIN

其中，Coinage即上文说的币龄，COIN可理解为“币”，1 COIN即通常所说的1个币，本质是一个常量，中本聪在比特币系统里定义为100 000 000，如此设计主要是为了避免浮点数运算，比特币支持8位小数源于此。

思路总结

POS一并解决了POW浪费能源和算力集中两个痛点，理论上还能缩短了共识时间，但同时也丢弃了POW的某些优势，因此更容易分叉，一笔交易需要等待更多确认才能确保安全，而POS最大的问题是其安全性和容错性还没有得到严格的数学论证。