比特币登录网站:如何通过预测技术实现更高效的PoS机制

  

  以往在谈到Qtum的创新点时,我曾多次提及“预测staking”("look-ahead staking")这个概念,作为我们“智能staking协议”的重要组成部分。这听起来是个很酷炫的技术,但你肯定会问,这到底是个什么玩意儿呢?本文将会对此技术进行简单说明。为了便于理解,文章不涉及太多的技术细节。

  看过我另一篇关于PoS3.0文章的读者应该知道Qtum采用了PoS共识机制。然而,文章中提到的PoS实际上不算个新技术,它在2015年就已经被提出。文中提到的“staker”(也就是“挖出”PoS区块的实体)一开始是基于当时的黑币(Blackcoin)代码实现的,所以上它也是采用从交易池中获取交易并生成区块的流程。之后,再检查你钱包里的所有可用的UTXO,看它们是否可以用来建立PoS区块。如果检查完所有UTXO,发现不成功,则会丢弃这些处理过的区块,然后在16秒之后重复之前的所有步骤。

  在Blackcoin中,虽然这种多次处理同一交易的做法比较低效,但这对Blackcoin来说并不是什么大问题,因为它采用了和比特币基本相同的交易结构,也就是说验证的开销非常低。不幸的是,这对于Qtum的早期版本来说确实是个不小的问题。我们试着在一个区块上创建了大量合约交易,看网络是否能对其进行处理。结果网络确实能对其进行处理,但staker却不行。根本原因在于staker花了大量时间用于生成区块,但当区块被填满并找到有效的UTXO时,它已经因为超时而变得不再有效的。不仅如此,在上述staking过程中的CPU占用率达到100%,大部分用于不断重复处理相同的交易。

  我们尝试着修复这些问题,一开始采用的方法很简单,就是在staker尝试创建区块时不要完全重复处理所有交易。然而,我们很快发现这种方法严重的限制了交易的吞吐量,同时增加了产生“stake超时”的概率。也就是说本可以创建一个有效的PoS区块,但由于staker花了太多时间在创建区块上,从而钱包的拥有者因为超时而错过了区块奖励,也即错过了生成新区块的机会。这不仅影响了staker个人的回报,同时可能会对整个网络的安全性产生不利影响。人们可以手动生成交易,并在适当的时机广播出去,从而使其他人错过一些区块。

  这确实是个严重的问题,并且困扰了我们整整两周时间。从根本上说,所有类似上述的解决方法都会在不同程度上限制交易的吞吐量。随后我在梳理PoS3.0文章的时候获得了灵感,并最终提出了“预测staking”的解决方案。这个改动并不容易,但好在它并不会改变任何共识机制,也不会影响交易吞吐量以及网络安全。

  在开始介绍“预测staking”之前,让我简单介绍一下PoS3.0。当你试图创建一个PoS区块时,你需要遍历你所有的UTXO,检查是否符合一系列要求,可以用来创建一个有效的PoS区块。出于安全性考虑,某个PoS区块是否有效和区块包含的交易不相关。因为如果它和交易相关的话,人们就会试图遍历不同交易的排列组合,最终可能导致和PoW相类似的工作机制。PoS区块对时间的要求比PoW要严格,你可以创建出一个有效的PoS区块,但它会在16秒(或更短的时间内)失效。16秒之后,你又必须重头再次遍历所有的UTXO,用于创建新的合法的PoS区块。

  接下来我们介绍预测staking,它从根本上改变了staker创建区块的方式:

  首先staker在创建任何区块和验证交易之前先检查所有UTXO,如果连一个符合要求的UTXO都没有,staker也就没有必要浪费时间在生成区块和处理交易上了。这一点非常容易想到;

  我们加入了两个对staker处理交易的时间限制,即软时限和硬时限。当达到软时限后,staker不在处理任何合约交易;而在达到硬时限后,将停止处理所有交易,并认为区块已经被填满;

  除了验证区块在当前时间是否有效外,同时还会验证其在未来120秒时间内的有效性。

  最后一点至关重要。前面两点提供了一个可行的解决方案,但不可避免的将交易吞吐量限制在这16秒时间能处理的交易范围内。尽管目前没有任何区块的验证需要花16秒这么久的时间,但别忘了staker有可能遇到线程切换,CPU满载等问题。所以,理论上能有越多时间处理交易则越好。实际上在我们的早期实现中,由于某个非线性复杂度的bug,曾有过某个交易需要30秒的处理时间(同时达到了区块gas限制),所以当时这个问题在当时更加明显,然而这种方式在可靠性和吞吐量方面仍显示出其优越性。

  预测staker的核心是检查在未来120秒时间内(16秒为单位),当前钱包内的UTXO是否有可能产生有效的PoS区块。在有些情况下,有可能检查未来64秒内的可能性。在这种情况下,可以准备64秒用于处理交易,当到达那个可以产生有效区块的时刻,staker就能快速地将这个区块广播出去。

  最后,我们对新版本做了许多优化,从而使得Qtum的staker成为目前为止最高效的实现。归纳来说,其实现包括以下几点:

  只有当钱包中的UTXO有可能创建PoS区块时,才会对交易进行处理;

  采用预测的方式,从而可以获得更长的休眠时间;

  引入强制时间限制以保证不会错过可能有效的区块;

  Qtum采用了优化的UTXO集合以及“chainstate”数据库,它只包含区块头和一些元数据,这比传统的采用txindex数据库并且读取硬盘上所有区块数据用于stake的方式要好得多;

  Qtum利用缓存数据来决定UTXO是否可以用于stake,这意味着需要从硬盘读取数据的次数更少了;

  由于采用了预测模型,staker可以有更多的休眠时间,从而可以使你的计算机有较长的时间处于低功耗状态;

  这种实现方式相比于传统的PoS实现方式有了很明显的提高,但仍然是一个未完成品。其中一个明显的问题是:在预测的PoS区块被创建后,我们无法再增加新的交易。这在理论上绝对是可以实现的,但要在比特币原有的创建区块的代码基础上实现这一特性,可能是个比较令人头疼的事情。

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