PoC算法原理与Burstcoin区块链：被低估的共识算法尝试

诞生于2014年的Burstcoin是一次伟大的尝试，它解决了比特币工作量证明算法（以下简称PoW算法）下的能源消耗问题。PoC通过改变现有证明思路，将需要的答案预先生成，实现了和PoW类似的证明方式，但是能源消耗却不及百分之一。在谈及PoC之前，需要先了解什么是PoW。

什么是比特币工作量证明（PoW算法）

如果你了解过比特币，那么能知道大概的比特币挖矿的PoW算法原理。PoW算法使用了sha256散列算法。在给定一个初始消息，通过一定算法，生成出256位的消息摘要（二进制）。

散列算法的计算结果具有不可预估和随机性，即使给定的初始文本非常相近，哪怕只是修改一个二进制位，最终生成结果的每一个二进制位都有50%的概率发生改变，这种加密算法属性被称为雪崩效应（avalanche effect），因此广泛用于密码学领域。

在比特币挖矿中，需要进行若干次sha256计算。区块给定一个难度目标（target）后，矿工计算出的sha256结果比目标小，就认为是找到答案的矿工，就可以获得该区块的打包权。因为sha256计算的结果只有计算后才可知，所以挖矿的过程就是在生成随机数，只有算的越多才越有可能找到正确答案。详细过程如下：

1. 矿工将处理的交易打包进区块中，也就是所谓的记账，记账可以获得交易的手续费；
2. 为了获得该区块的打包权限，必须需要进行散列算法（sha256）计算答案。矿工需要变更不同的随机数（nonce），来让答案符合目标；
3. 最先算出答案的矿工将答案广播到比特币网络。网络校验答案正确，该区块以及记账的交易被打包，该矿工获得区块奖励和打包交易的手续费；
4. 矿工开始打包和计算下一区块的答案。

为了防止彩虹表和同一个答案重复提交，比特币每个区块的答案都需要重新进行计算。计算的sha256规则是：钱包版本号+前一区块的hash值+merkle root（Merkle树的根）+utc时间戳+难度目标（target）+随机数（nonce）。

将这些所需计算的数据全部转为16进制，拼接后使用sha256计算哈希值，如果哈希值小于当前难度所需的target，将答案广播到全网，那么比特币网络就会认为该矿工做了足够的工作，该矿工也就获得了该区块的打包权限。

其中的随机数（nonce）是未知的，矿工需要不停的变动这个随机数，来让答案符合目标。这个数字的范围是0~2^32，也就是只需要计算2的32次方（43亿左右）就可以计算出全部答案。如果按照现在比特币矿机几十T的算力来看，不需要1秒的时间就会被算完，而时间戳是按照秒为单位的。

也就是说，在1秒内算完全部随机数（Nonce），可能也没有符合目标的答案。所以此时还需要改变区块coinbase交易中的附加消息，来让merkle root（Merkle树的根）也跟着一起变化，从而能够在1秒内寻找更多可能符合答案要求的随机数（nonce）。

PoW产生了哪些问题

可以看出，为了获得区块打包权，PoW下的挖矿需要24小时不停的计算答案。因为每个区块都需要重新计算，计算结果也就无法重复利用，也就带来了非常巨大的能源消耗问题。如今PoW挖矿，在不使用专业矿机的情况下已经无法参与。

Burst的PoC算法

Burstcoin使用了PoC算法解决了PoW的能源消耗问题，用硬盘代替了CPU。挖矿前，将答案预先生成在硬盘中，挖矿时，寻找硬盘中的答案即可。预先生成答案（又叫Plot）的过程也是在进行PoW计算，但是为了防止被PoW攻击（抵抗ASIC），所以需要比sha256更为复杂的算法，Burst使用的是shabal256算法。

Shabal256是Burstcoin使用的hash函数的名称。与类似sha256的算法相比，Shabal256是一种计算非常缓慢的散列算法，下图展示了不同平台下常见散列算法的表现。这也就导致在预先生成Plot文件时，会非常缓慢。而Burstcoin的每个区块锻造时间非常短，只有4分钟，所以无法通过实时计算shabal256来算出区块的答案。因此，它非常适合用于Burstcoin之类的容量证明硬币。

在生成Plot文件时，将生成称为Nonce（随机数）的东西。每个Nonce包含256KB的数据，都有其自己的编号，并且被分配到4096个不同的位置，这些位置被称为Scoop。每个Scoop存放了2个hash值。Nonce的范围是0-18446744073709551615。创建Nonce时，该数字也用作种子。因此，每一个Nonce的数据都可以是不同的，一个Plot文件中可以有很多Nonce。矿工可以使用这些Plot数据来计算Deadline。

Deadline可以理解为区块倒计时。因为Burstcoin的打包区块机制和比特币不太一样，比特币需要找到指定的答案小于目标难度（target）。Burstcoin的目标难度是为了动态调节全网矿工找到的Deadline数值的大小。矿工找到的Deadline和Target的比值作为最终Deadline，Target越小，Deadline的最终结果越大，也就越难以打包区块。

Deadline是一个秒数的数值。矿工找到一个Deadline后，提交给区块链，当上一区块距离当前所经过的时间（秒数）达到或超过了找到的Deadline，并且没有其他矿工提交过更小的Deadline，那么就认为该区块被该矿工所打包。Burst网络会动态调整难度，来让每个区块的Deadline平均在240秒（4分钟）。

生成一个Nonce

创建Nonce的第一步是创建一个种子。种子是一个16字节长的值，其中需要包含Account Id。Account Id和钱包对应，所以即使矿工使用同一个Nonce生成Plot文件，Plot文件最终也不会一样。Account Id和随机数拼接后，就是一个种子了。对该种子进行Shabal256计算，获取第一个hash。

产生的第一个hash是Nonce中的最后一个hash。也就是hash#8191。现在我们将产生的hash值（#8191）添加到下一个种子的开始位置，为计算下一次Shabal256（下一个hash值）服务。

现在生成了两个hash了，分别是hash#8191和hash#8190。这次，将hash#8190添加到上一个的种子种子的开始位置，再次进行Shabal256计算。

就这样重复计算完8192个hash的过程，就是在生成一个Nonce。在重复迭代超过128次之后，种子就会超过4096个字节。超过该字节数的情况下，只获取最后4096个字节作为种子。

在创建8192个hash值之后，需要计算一个最终hash值。使用所有8192个hash值和前16个字节作为种子来进行最后一次Shabal256计算。

最终hash值分别对所有其他hash值进行异或（xor）计算。

最后计算好的8192个hash值按照顺序，每两个为一组（scoop），就是一个256KB的Nonce。至此，一个Nonce计算并且生成完成，重复生成Nonce，就是在生成Plot。Plot可以理解为将硬盘制作成矿机的过程。

挖矿过程

在开始挖矿时，需要先在钱包中获取挖矿信息，通俗来说就是获取挖矿的任务。挖矿任务中包括签名（generation signature）、目标（Base Target）和下一区块高度（Height）。矿工（挖矿软件）将32位的签名和8位的块高组合作为种子，进行Shabal256计算，生成一个叫Generation hash的hash值。

然后对该hash值进行取模运算，取模的数字是4096，也就是每个Nonce中Scoop的数量。取模后，将会获得一个4096以内的数字，这个数字就是答案所属Scoop。

矿工需要在Plot文件的所有Nonce中找出答案所属的Scoop。将64位的Scoop数据和64位的签名（generation signature）组合，作为种子，进行Shabal256计算，将会得到Target。将Target除以目标（Base Target），结果的前8个字节就是区块倒计时（Deadline）。

而找到最小的Deadline的过程，就是扫盘过程。将找到的最小Deadline广播到Burstcoin网络，在距离上一区块所经过的秒数到达该Deadline时，也没有其他矿工提交更小的Deadline，那么就获得了该区块的打包和锻造权。

PoC的优势和不足

PoC实现了将答案存储于硬盘中，并且可以重复利用，所以挖矿过程就是读取硬盘的过程。该过程消耗的能源及其的低。但也存在着不足，因为和IPFS协议不同，生成的数据除了为了证明容量，没有其他任何用途。但无论如何，Burstcoin提出的PoC容量证明，是一次伟大的尝试。但却没有得到像其他数字货币一样的待遇。和比特币一样，Burstcoin是PoC数字货币的创世货币，0预先挖掘，但在市场表现上却不及后来出现的BitcoinHD等PoC数字货币。

所以说，Burstcoin的PoC算法，是一个被严重低估的共识算法尝试。

参考文章：
[1] "Technical Information about Mining and Block Forging", https://burstwiki.org/en/technical-information-about-mining-and-block-forging/
[2] "Technical Information to create plot files", https://burstwiki.org/en/technical-information-to-create-plot-files/
[3] "PoC2 explained: a needed security upgrade", https://burstcoin.ist/2018/03/01/poc2-explained-a-needed-security-upgrade/
[4] Wikipedia: Shabal, https://en.wikipedia.org/wiki/Shabal
[5] "Shabal算法的优点和缺点解析 —— 电子发烧友", http://www.elecfans.com/blockchain/1053225.html