技术|PoS运行原理 了解一下
本章，我尝试描述PoS共识运行的步骤，来了解其大致的原理。
一般情况下，PoS共识的运行有7个基本步骤，运行节点，注册成验证人，Stake，选举验证人，打包交易，广播交易，验证人确认，以下我会对每个步骤进行解释。
因为不同项目有不同的实现方案，当我们在看具体项目时，会发现有的项目会有细节上的不同，或者已有步骤的先后次序不一样，这些不同都是这些项目的特色，或是增加安全，或是提高性能。我把各个项目中的精华拿出来，我发现大致过程是差不多的，用一句话将PoS共识串起来：
持币人将币Stake，获得出块权利，在指定时间打包交易，并广播出去，得到验证后，新区块生成。
运行节点
持币人成为验证人之前，需要运行节点客户端，成为一个区块链分布式网络中的接入点，也叫节点。早期的区块链项目，为了方便大家接入网络，都会有命令行，为用户体验着想的团队还会开发一个简单的可视化客户端，即钱包客户端。这些钱包客户端以桌面版为主，一般支持Windows，MacOS和Linux3种系统，如Bitcoin Core，Parity等。客户端里集成了运行的命令，并且都是可视化的简单操作，用户只需要简单点几下，即可以运行起节点。
这个节点就是我们所说的，区块链分布式账簿中的一个点，这个点（也就是你运行节点的电脑），存储着区块链所有的交易记录，并将参与到整个网络的共识当中去。所以，你的电脑即充当了存储的功能，也充当着计算的功能。
那Nuls项目举例，首先在官网下载对应的钱包客户端，以MACOS为例
安装好钱包后，打开，进入区块同步的阶段。从途中可以见到主网高度为1987877个块，本地同步了374个块，按照网路速度和数据大小，区块同步可能持续的时间较长。
区块同步完成之后，你可以选择创建一个钱包，或者导入钱包
创建完成后的一个钱包
钱包创建完成，可以参与到PoS共识，即PoS挖矿中去。按照Nuls的共识，你可以将你的挖矿权益委托给矿工。钱包中已经列举了一些矿工，选择一个矿工，输入你要委托的Nuls数量，就可以参与到共识挖矿中来。
除了钱包客户端之外，项目提供最多的方式就是命令行了，有编程基础的小伙伴，可以按照官方的介绍，执行相关的命令就可以了。命令行我们拿Tezso来举例一下，以下是用命令行创建Teozs节点的步骤：https://github.com/tezoscommunity/FAQ/blob/master/Compile_Mainnet.md
登录Debian或是Ubuntu系统，并升级基础包（用你机器的IP将下面命令中的 "192.155.xxx.xxx" 替换掉）
创建一个Tezos账户，不要以root权限运行服务。注意make build-deps这个命令需要sudo的权限
如果你运行的是Ubuntu 16, 执行下面的命令安装 bubblewrap和最新版本的git
创建环境初始化
安装OPAM
获得主网源码
初始化依赖工具
编译
设点节点身份
运行节点，等待节点同步成功
不过在此要说明的一点就是，自己运行全节点，意味着你需要付出诸如存储空间，计算力，电力等资源，并且保证你是24小时开机，才能让一个完整的全节点钱包运行下去，同时可以获得PoS共识中Stake的收益，所以这看上去不是一个很简单的差事。
目前为止，全节点运行已经慢慢发展了几个阶段，下面我来说说这几个阶段的演变过程。
一般自己运行运行起来的节点是全节点，全节点就是记录了主网上线以来的全部数据。初期的PoS项目基本都是类似Nul这样的全节点钱包客户端，其模拟的也是比特币初期可用电脑CPU挖矿的原理，运行节点的门槛也就是需要一台计算机。但全节点有个不好的地方，随着区块数据的增多，会需要更多存储空间。同时，钱包客户端不能掉线，也就是不能关机，断网或者断电，要不然你无法运行节点来获得出块机会，已获得的出块机会在此种情况下也无法继续。
家用电脑不同于专业挖矿，所以随着个人全节点的缺点暴露的越来越多，开始出现专业运行的矿池，矿池是专业挖矿的机构，可以支持24小时，不断电，不停网的挖矿方式，普通用户如果不想自己守着电脑挖矿，可以将币发送给矿池，让矿池来帮助自己出块获得奖励。矿池通过收取一定的手续费来获得收入。
这也是委托的第一种方式，但是这种委托需要把币给到矿池手中，用户往往需要承担很大的风险，如果矿池失窃，或是卷款潜逃，用户往往一点办法都没有，需要极大的信任，还需要矿池维护人员有良好的职业操守。
项目方在运行一段时间后，也会发现个人Stak的意愿并不是很高，而自建矿池或者集成已有矿池到委托验证人的选择里面来，既可以帮助矿池做安全背书，也能大大提高个人Stake的意愿，维护网络安全（当然，前提是对验证人有严格的审核），所以我们开始看到第二种委托形式——项目方支持委托权益的转移了。这种形式下，个人只需要将币转移到中间账户，或者是发送个合约账户，就可以完成奖励的获得，承担的风险大大降低。
但第二种形式的委托也有问题，毕竟用户无法使用Stake的币，大量用户会因为流动性原因不进行Stake。后来有项目方做了进一步的妥协，支持委托只是建立一种关系，而不需转移代币，Tezos上的委托就是如此。用户发起委托，委托期间，但是仍然能支配自己的代币，极大的降低了非自愿运行节点用户Staking的成本（当然，第三种形式的委托，用户能自由支配委托代币是因为有节点帮助用户交了抵押金）。
但是，代交抵押金来出块的方式，并不能让节点获得足够大的收益，也不能以此形成更专业化的操作矿池，虽然对去中心化有极大的帮助，但是在一定程度上会降低一些节点验证人的动力。于是，第四种委托方式出现了，用户委托仍然是层关系，委托期间，Staking代币的归属权仍然属于用户自己，但是要使用，比如发送，需要解锁Stak的代币才可以，为了防范长程攻击，解锁的时间一般持续20天~40天左右，以提高攻击成本。
无论那种形式的委托，只要你想成为验证人，那么第一步肯定还是需要自己运行节点的。现在只要是公链项目都支持运行节点，大多数都提供了命令行的运行方式，钱包客户端运行的全节点已经开始慢慢退出舞台。运行节点变成了一件更加专业的事情，每个PoS共识项目都有自己的命令，按照命令执行即可以运行全节点。
声明为验证人
节点运行起来后，需要执行变成验证人的命令，执行完命令，就可以变成验证人。一般对验证人的要求比全节点的要求要多。首先你需要保证的就是验证人节点的配置符合项目的要求，一般情况下，验证人的配置要求要比全节点的配置要求要高。其次确认项目对验证人节点的一些硬性门槛，如持币量，锁定时间等。Teozs要求验证节点的持币量需要达到10000个XTZ，Cosmos要求验证节点的Stake量在前100位，Cardano要求节点是矿池，持币量（包含委托量）达到总体币量的1%。
除了硬性要求，还有一些软性实力的要求，比如验证人需要时团队，或者公司，要求不能用云服务器，要求在社区有一定的声誉，要求投票需要达到一定的数量等等，这些门槛都需要在申请验证人之前了解，如果在不了解的情况下运行，可能无法声明成为验证人。
同样以Tezos为例，Tezos对机器配置的要求不高，但有持币10000个XTZ数量的门槛，达到门槛，执行以下命令成为验证人
激活成为Baker
质押Stake
Stake和成为验证人可以合成一部，由于Stake在PoS共识中的重要性，我把这两部拆开了。成为验证人之后，该验证人账户中的币会被检测，带有门槛的PoS共识会在此检测一些条件，当条件符合时，账户被标识为合格，然后放到验证人列表当中。如果不合格，此验证人并不会在真正的验证人列表里面。
合格的验证人，其账户里面所有的币都是质押成为Staking的币，系统会计算该账户的Staking数量在总体Staking量中的占比，使用算法来选举每个区块的验证人。
在Tezos上没有Stake的操作命令，只需要生命成为验证人的账号有代币，成为验证人之后，该账户的币就相当于默认Stake了。另外，需要注意的是，在Tezos上执行成为验证人的命令时，系统就会进行验证人门槛的判断，比如账户中是否有10000个XTZ。只有满足门槛后，才能成为验证人，并且进行Stake。
选举验证人
系统会从候选的验证人列表当中选择出块人。选择出块人的算法有很多种，每种的优缺点都不一样，但是它们都有一个共同要保证的任务，那就是保证选举结果不能被操纵，不能被预测，防止Grind Attack的攻击发生。只有安全性足够高的算法，才能保证整个token的激励系统不会被单一方所控制。
以下我们来列举几种目前比较流行的选举方式：
Follow-the-Satoshi
Follow-the-Satoshi算法，最早出现在论文《Proof of Activity: Extending Bitcoin’s Proof of Work via Proof of Stake》中，其作用就是在PoA（Proof of Activity）共识当中选出出块人。
Satoshi这里的意思是聪，是比特币电子货币形式里，最小的计数单位，每个已被铸造出来的聪都对应一个UTXO（未经花费的输出--Unspent Transaction Output），而每个UTXO都可以对应到一个私钥，而每一个私钥都可以对应到一个持有人。如果用持币权重（Voting Power）代替算力权重的话，PoS共识中的持币人其权重，其实就是多个聪的集合，所以选择出块人，即从这些聪的集合当中选择就可以了，哪个持有人中拥有最多被选中的聪，那他就是这个高度的出块人。这就是Follow-the-Satoshi的原理。
PoS中的持币人staking后，可以被最小单位s划分成很多份，Follow-the-Satoshi当中会有一个随机数输入源p，充当最开始的随机起始点，然后随机选出这个出块人。每个持币人都有多份s，那么单个块的出块人就是当前包含最多p的持币人。
运用Follow-the-Satoshi算法的PoS项目有Tezos和Cardano。
Tezos对算法做了改良，因为聪的单位太小，随着系统锻造出来的聪越来越多，选择算法会变得低效，所以Tezos进行了规整，以10000XTZ为一个卷（Roll），将卷作为随机数选择的目标，以此来提高选择效率，包含选中最多的卷将成为块的出块人。同时，为了让随机数源变得不可预测，Tezos将4096个块当成一个选举周期（Cycle），利用上一个周期出块人披露的Nonce（在通信安全中，Nonce是一个在加密通信只能使用一次的数字）为随机数输入源。未披露的验证人将会被扣除抵押金。
Cardano的做法和Tezos类似，以一定区块数为选举周期（Epoch），每个周期有一个创世块，每个创世块中包含了每个块的出块人和一个随机种子p。和Tezos不同的是，Cardano每个块只有一个出块人，如果这个出块人掉线，这个块会被抛弃，直接进入下一个区块。而Tezos中单个块会有多个出块人，这些出块人会有不同的优先级，以避免备选出块人出现的种种情况。
Round Robin
维基百科对Round Robin的解释是：
一个简单的Round Robin算法的例子如：F(i, b)=1 if b.height % N==i else 0
RR（Round Robin）常用于联盟链或者私有链居多，因为循环出块的可预知性太强，如果在一个可允许被随意进入（Pemissionless）的区块链网络里面，被攻击的概率会比较大，系统抗风险性变差。所以，在联盟链或者私有链的网络里面，各个节点互相知道/审核/同意（Pemission），利用RR既是一种简单可行的方式，又是一种高效的算法。
但是，后来有项目方改良了RR的算法，用于到Pemissionless的区块链网络中来确定出块人。我不确定是否是EXONUM团队对RR进行了首次改良，但是我在google找到到了他们改良的方案。相对的，在Multichain的白皮书中也有将RR算法运用到联盟链中的说明。
在EXONUM里面，RR的执行逻辑是，在一个高度H里面，所有出块人排列成一定的顺序（优先级），如果首位出块人掉线则直接跳过，第二位出块人代替首位出块人位置来出块，如果第二位出块人掉线，则排在第三位的出块人顶上，以此类推，由此得出循环算法的说法。在高度H 1里面，在H高度的出块人将不在获得出块机会，其出块权利会被锁定一定的周期F，只有等权利解锁后才会再次被加入的排序中来。
当然，每个高度H的出块人排序不能是固定的，那么会被攻击者找到攻击目标。所以每个高度H的顺序由算法得出，T=Hash(H) mod M!。可以确定每轮（Round），验证人的排序都不一样，这样就避免了相同顺序下，验证人合谋的低成本问题。
Cosmos同样使用了RR算法来进行验证人选举。Cosmos按照出块人的权重（Voting Power），来确定高度H下的出块人（Proposer），每个高度的第一个Proposer对出块进行提议，然后进入该高度H的第一个Round，其他验证人对该提议进行两轮投票（Prevote和Precommit），两轮都超过2/3通过，该区块被commit，成为高度为H 1的块。如果中间的任意议论投票中，有一轮的投票并没有达到2/3的权重（Voting Power），那么第一个Proposer的提议被否决，这进入第二个Proposer的提议阶段，提议重复第一个Proposer提议的流程，以此类推。
在写此书的时候，Cosmos的测试跑到了Gaia9003，Genki4002，同时还进行着一个主网上线前的测试网网络Game of Stake，对于测试网中的很多功能还在测试，包括验证人选举，所以对于RR的算法并不是最终版本，等到主网上线后，我会再来补充具体的选举出块人方式。
DPoS
DPoS是由Daniel Lamier在2013年的比特股（Bitshares）上提出来的，其底层是基于石墨烯平台来搭建，我在此处说明的是基于石墨烯底层搭建的DPoS系统，其他的委托权益证明共识Delegate-PoS不在此范围之内。
基于石墨烯的DPoS，其出块人选举和RR算法有点像，更像是简单版本的RR。在DPoS的系统中，所有出块人由用户投票得出，投票最高的几位出块人获得出块机会。通常，出块人的数量是固定的，如EOS里面固定是21位，这21位出块人被投票出来之后，在一轮（126个块，每个出块人6个块）中，其出块顺序由15个及以上的生产者约定的顺序安排。
目前EOS的约定顺序是按照字母a-z排列的，比如Asia会比Basic排在前面出块，而Canada会在Basic后面出块。目前的这种排序方式，决定了每轮的排序其实有一样的顺序。
所以DPoS里面一个很基础的选举方式就是，系统规定一个固定数量的出块人，出块人由持币人投票得出，投票率按照高到低排序，系统按照高到低选择指定数量的出块人，然后将出块人随机排序，随机源可能是时间戳，也可以能出块人之间随机的参数。
多方计算（multiparty computation (MPC) ）
多方计算是由Cardano提出来的，目的是保证选举算法中的无偏差性，通过计算获得一个随机数，作为选举算法的输入。随机源计算出来后，选举算法仍然使用的是3.4.1 follow the satoshi的方法。为了避免重复，我们这里说一下MPC。
在Cardano的文档中，对多方计算有以下的解释：
Cadano使用的是类似于扔硬币的方案来决定区块人，分为3个阶段。提交，开启和恢复阶段。在提交阶段，参选人通过私钥签名一个提交，并附上周期标号，公钥等信息，这个提交会被广播给其他参选人，每个参选人都可以拿到其他参选人的提交。
在开启阶段，参选人提交一个开启状态，这个状态带着一个值，可以解开第一步提交的数据。同样，每个人都可以拿到其他人的开启值。
最后恢复阶段，每个参选人相当于都拿到了所有的提交和开启，如果参选人中存在不诚实的人，那么很有可能有些不提交，或者不提交开启的情况出现，在这种情况下，诚实的选民可以张贴（上面有提到）来重建密钥，这个想法很简单：即使某些选民是对手，选举也能成功结束。每个诚实的参选人解出来的都是同一个密钥，也就是随机种子。
这就是Cardano多方计算的出来的结果。
VRF
Verifiable random function (VRF) ，同样是计算随机元的一个方法，其应用代表是Algorand和Dfinity 。VRF的描述其实很简单：
它是一种伪随机函数，可以在不提供输入值的情况下，验证结果的正确性。给定输入值x，秘钥SK的所有者可以计算函数值y=FSK（x）和证明pSK（x）。 使用证明和公钥
其他
业界还有一些选举算法，Vitalik曾经写过一篇文章，专门介绍了选举算法的不同优缺点。链接：https://vitalik.ca/files/randomness.html
其中如NXT的RNG算法，RANDAO算法等等，有兴趣的小伙伴可以看一下。
伪随机数源
随机数分为真随机数和伪随机数，真随机数是真是发生在现实中的随机事件产生的结果，比如扔硬币，扔骰子等等，伪随机数是用确定性的算法计算出来自[0,1]均匀分布的随机数序列，其实伪随机数并不是真正意义上的随机数。因为产生伪随机数是用确定的算法，那么只要是输入是一样的，那么输出肯定是一样的，也就意味着，输入源一旦被确定，那么输出是肯定会被知道的。
PoS出块人不能被提前被人预测出来，如果顺序能被知道，那么出块人提前勾结形成卡特尔组织，对系统是有一定危害的（在没有出现抵押金-抵扣的策略之前，这种攻击代价更小）。所以，PoS中的随机算法输入源显得非常非常重要。
在Tezos中，要求在下一个选举周期之前，该周期所有出块人必须披露一个Nonce，所有的Nonce会被收集到一个列表，通过Scrypt密钥衍生函数得出种子，该种子用于下个选择周期的随机种子输入源。
EOS中，在每个出块周期开始时，会根据持币人所投票数选出21个区块生产者。被选中的区块生产者的顺序会根据15个及以上的区块生产者的同意，制定出块顺序的安排。
在Cadona中，使用多方计算（multiparty computation (MPC) ）的方法来获取随机种子，简称扔硬币（Coin tossing）。简单来说就是这个方法模拟了现实中扔骰子的过程，来最终确定随机种子的生成，需要每个出块人都扔一次硬币得到一个随机数，然后互相分享扔硬币的结果，然后对所有结果进行种子生成，如果所有人都生成了一样的结果，那么说明大家互相使用了一样的结果。这就确认了种子生成。
Cadano和Tezos的随机种子生成很相似，只不过实现细节上有不一样。Cadano用多方计算保证了即使有人没有分享结果，也能通过部分结果恢复成整体。而Tezos要求每个出块人都批量Nonce，否则会被扣除抵押金（Slash）。相当于Cadano用了数学的方法解决了批量的问题，Tezos用了规则来限定，各有千秋了。
打包交易
轮到出块人出块的时候，出块人会从交易池里面挑选交易交易，并验证交易后，将其打包到区块中。
验证的过程就是对交易做一些基本的判断，比如判断交易合不合法，签名是否正确，交易账户是否有足够的余额，交易是否已经被花出，交易数据大小是否已经超出限制等，不同PoS公有链对于交易的判断不同，验证的条件也不同。
另外，从交易池子里面挑选交易，一般会有一个选择逻辑。该选择逻辑会参考两个因素，一个是交易手续费的大小，一个是发起交易的时间点。一般情况下，出块人的节点设置会优先选择手续费大的进行打包，同时系统也会设定一定参数，将交易时间点靠前的交易加入打包。当然，出块人还可以设置一些参数来调整打包程序，比如选择交易额大的，占内存空间小的等等，但是，不可以设置一些对地址交易的优先级，如果可以，那么该PoS机制的抗审查能力会被质疑。
广播交易
出块人将新区块生成后，会将区块数据广播到网络当中，为了让所有节点都把这些交易记录到自己的网络当中，这样全网维护的账本才能统一。网络中其他的节点会在不同的时间接收到广播的数据，新的节点会对打包数据进行进一步确认，并对其签名做认证，只有通过的验证数据对其进记录该节点本地所记录的账本当中。如果没有认证通过，那么节点将拒绝对其签名，同时，也不会将节点数据继续广播到其他节点中去。
广播通过点对点（Peer to Peer P2P）的网络进行传播。在点对点的网络当中，所有节点都是平等的，并且广播的传递并不会以物理地域为界限选择节点广播，而是会和网络中和自己连接的节点为传播，1传多，多传广，这样节点信息传播会以病毒扩散般的速度扩散开来。
虽然广播的传递不是以最近原则为基础，但是广播传播的速度会受到地域的影响，广播到达各个节点的时间并不一致，所以会出现一个数据同步问题。出块人通过节点A进行了广播，节点B在100ms后接受到了数据包，节点C则是在1000ms后接收到了数据包，这种延迟的时间间隔，会让整个网络有被攻击的机会出现，比如双花攻击、短程攻击等等，结果会影响交易的最终确定性，通常为了使得整个网络消灭延迟，通常交易的最终确定需要一定区块的时间确认。
验证人确认
PoS当中，矿工除了会出块外，还有充当验证人的角色。为了保证足够快的交易确认，每个区块的需要一定数量的验证人来进行签名确认，来保证其交易的合法性。
当前高度下，当出块人出块并广播后，被验证人接受到广播，紧接着对区块数据进行验证，在确认后用私钥签名，并继续广播出去。假设每个块需要10个签名，那么只有当网络中的所有的验证人都签名后，这个块才会被认为是最终的区块，并且填充到新的高度上来。
所以在出块人广播后，每个节点接收到广播，并维护这区块的一个中心状态，比如当系统只有1个签名的时候，节点并不能承认这个块是一个最终块，只有当该节点收到该区块新的签名更新，直到数量更新到10的时候，该节点才会把区块写到最高的高度上来的。
当然，为了保证签名的顺利性，整个区块的确认机制需要保证被提前选出来的验证人不会作恶，不在线或者有时间延迟等问题，可替代的解决方案有验证人备选，判断最小时间延迟，Slash作恶等。
所以，其实每个由节点所运行的PoS网络当中，节点运行的其实都是一个服务程序，这个程序会检测很多状态，以此来确认该区块的最终确定性。比如，检测是否有签名权利，检测是否可以替代签名，检测区块的最终签名状态等，不同的检测结果会触发接下来的很多操作，其目的都是为了保证整个区块链能顺利并且稳定的运行下去，不至于某个验证人不在线，整个网络崩溃的问题出现。
至此，PoS共识的7个步骤就说完了，整个过程从运行人的角度来说，从运行节点到区块验证确认；从区块高度角度说，就一个个新块打包生成的一个过程，每个区块链的共识基本都是这样，不断往复循环的一个过程。
