秒懂比特元 | 比特元创新的SPOS共识机制

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比特元采用了创新的SPOS 即 Safe POS共识机制，SPOS的创新及应用主要体现在两个方面。

其一就是通过Ticket选票机制实现POS共识
比特元通过 Ticket 实现 POS 的安全挖矿逻辑。用户使用钱包账户中 BTY 余额购票（挖矿权，目前 3000 个 BTY对应1票），一票对应一个唯一的 Ticket ID，同时拥有一份挖矿权；一个区块只能由一票挖出，实际的挖矿几率各票均分（如全网有 N 张票，则一张票挖到矿的几率为 1/N）。

Ticket 挖矿流程如下所示：

钱包：定期检查账户中的 BTY 余额来购买票, 当满足购票条件后构造一条买票交易发往区块链。

共识：它会一直尝试使用本地持有的票去打包区块，一旦打包成功，是表示对应的 Ticket 持有人挖矿成功，并获得对应的区块奖励。

智能合约：智能合约会把地址对应的票信息写入到区块链数据库，每一张Ticket 都对应有一个唯一的 Ticket ID，也会有一条数据记录在数据库。恶意节点，试图分叉比特元，或者任何系统能检测到的恶意行为，都可能会被惩罚，每次惩罚会损失 20%的资产。挖矿必须以比特元基金会发布的标准钱包进行，篡改挖矿行为，如果被系统自动判定为恶意，都会给矿工造成巨大的损失。

比特元POS共识特点：

（1）相较于POW、POC等共识机制免去了共识共识过程中不必要的资源浪费，如存储浪费、算力浪费等。

（2）智能合约执行1/N的选票逻辑确保了出块的公平公正

（3）惩罚机制的设计，确保矿工正向运作，保证主网运行安全

其二比特元在区块产生中能够产生公平的随机数，保证链上应用随机数调用的安全，体现Safe
针对游戏等应用场景，在区块链上为了体现公平性，就需要一个不能被预测的随机数，来保证公平公正。

目前的区块链大体有如下实现方案：
(1) 合约中调用外部中心化的随机数发生器获取随机数；

(2) 使用区块 hash 中的某些值作为随机数。

但是这两种方案都有非常明显的弊端，原因在于：
(1) 区块链多节点之间智能合约执行结果是要求强一致的，如果合约从外部读取数据，是很有可能获取到不同结果的（比如网络原因导致有的节点读取正常，有的返回错误）进而导致分叉。

(2) 区块的哈希可以被控制，导致随机数被控制。由于一些区块链系统没有提供很好的随机数算法，所以很多 DApp 开发者会自己封装自认为完美的随机数算法导致随机数被预知。

针对以上两个弊端，比特元实现了在随机数上的优化：
比特元在原来的随机数基础上引入了 VRF（Verifiable Random Functions）可验证随机函数逻辑，使得随机性进一步增强，以下是具体实现逻辑：

首先，用户使用钱包账户中的 BTY 购买票（Ticket），3000BTY 对应一票。

钱包同时生成一个 randNum，哈希过后再结合钱包挖矿地址的私钥，票对应的 index（一次可以买多张票）等元素再做两次哈希，得到一个公开哈希参数（pubHash）：pubHash=hash(hash(privateKey:index:hash(randNum)))

然后，新购买的票中包含这个 pubHash 以及 randNum 并存入区块链，这张票有 12 小时的成熟期，过了 12 小时才可以参与挖矿；接着共识算法从区块链中找到已经成熟的票（Ticket）开始打包。

由于共识打包区块操作只在节点本地执行，所以它可以读取本地存储的私钥，算出一个私密哈希（privHash）并将这个参数放入到挖矿交易中：privHash = hash(privateKey:index:hash(randNum))

最后，智能合约收到挖矿交易，对比 hash(privHash)和 pubHash 的值，两者一致挖矿交易成功，对应的节点获得挖矿奖励，否则挖矿交易执行失败。

VRF 关键术语
SK, PK: VRF 中使用的公私钥对，SK 为私钥，PK 为公钥

M: 输入数据

R：VRF 哈希输出

P：VRF 证明

Prover：证明者，拥有 VRF 公私钥 PK 和 SK

Verifier：验证者，拥有 VRF 中的公钥 PK

 函数组

 包括四个函数，分为两类

生成函数

R=VRF_Hash(SK,M)

P=VRF_Proof(SK,M)

验证函数

R=VRF_P2H§

VRF_Verify(PK,M,P)

 VRF 使用流程

(1) 证明者生成一对密钥，PK 和 SK

(2) 证明者计算 R = VRF_Hash（SK，M），P = VRF_Proof（SK，M）

(3) 证明者把 R，P，PK，M 递交给验证者

(4) 验证者计算，满足 VRF_P2H（P) = R 并且 VRF_Verify(PK, M, P) = True

即验证通过，否则验证不通过

BTY 使用 VRF 实现随机性的流程
(1) SK 对应挖矿节点账户的私钥， PK 对应挖矿节点账户的公钥。

(2) 在 2019 年 BTY 升级分叉的那个高度，挖矿节点先读取前一个区块中存储的 privHash 作为输入 M，并通过 VRF 生成函数分别计算出 R 和 P。

(3) 挖矿节点将 R 和 P 写入挖矿交易中，打包进区块并广播。

(4) 所有节点收到区块，在智能合约中通过 VRF 验证函数来验证正确性(满足VRF_P2H（P) = R 并且 VRF_Verify(PK, M, P) = True 即验证通过，否则验证不通)

(5) 再往后的区块，读取前一个区块中存储的 R 作为输入 M 来计算 R 和 P。

(6) 可以看出，当前区块引入的随机数，都需要依赖于上一个区块的随机值 R ，随机值更不容易被控制，随机性大大增强。因此，SPOS 共识的实现结合了随机数，由于一般情况下是无法预测其它节点的共识信息，所以也无法获取到它的共识随机数。并且系统设定私密哈希（privHash）不能提前泄露，就算有恶意矿工自己提前暴露，它对应的票也会被作废，同时本金会被冻结较长时间（2 天以上）。再加上系统设定票需要经过 12 小时的成熟期后才可以参与挖矿，以及在共识逻辑中引入 VRF 可验证随机函数的实现，每一个区块的随机值都依赖于上一个区块的随机数 R，随机性进一步增强。

这些条件组合起来，系统的随机数几乎是无法被操控的。这样当开发者实现的 DApp 中需要保证公平随机时，就可以直接使用系统提供的这个安全的随机数了。