Solana之旅3：PoH

什么是PoH

1. 通过SHA256之类的Hash加密函数，来计算生成序列，提供验证两个事件（这里可以理解为两个区块生成）之间的时间流逝。
2. 创世区块中，第一笔交易Hash函数的输入是一个随机值，然后该函数的输出，将是下一次Hash函数计算的输入参数之一：

PoH序列
Index	Operation	Output Hash
1	sha256(“any random starting value”)	hash1
2	sha256(hash1)	hash2
3	sha256(hash2)	hash3
自此以下，上一笔的hash函数输出，都会是下一笔hash函数的输入实参之一。

3. 不用每个序列(区块)的Hash及其索引，PoH Generator都要发给下游的Validators；而是每隔一段时间才发：

PoH序列
Index	Operation	Output Hash
1	sha256(“any random starting value”)	hash1
200	sha256(hash199)	hash200
300	sha256(hash299)	hash300

4. 这个PoH可证明的序列，在技术实现上应注意两个关键点：

• Hash函数要是抗碰撞的，因为一旦可以发生碰撞，就会出现Hash值相同，从而无法区分序列；
• 该Hash的计算应在单核上，以单线程的方式来计算，因为该Hash的计算是依次顺序依赖上一次Hash计算输出的。

5. 最终，基于PoH生成的链式证明如下：
   

将外部事件的时间戳囊括进来

1. 只是纯粹地生成序列（区块），是没有意义的，该区块里应还能承载外部的事件（Events）。
2. combine函数将把现实世界关联的数据，与当前序列的Index和Hash结合起来，再通过hash函数计算，产生不同于上节所述的序列(包含了外部信息)，也同样可以挂载可证明的链上的，比如从Solana链下来了一张照片：

PoH Sequence With Data
Index	Operation	Output Hash
1	sha256(“any random starting value”)	hash1
200	sha256(hash199)	hash200
300	sha256(hash299)	hash300
336	sha256(append(hash335, photograph sha256))	hash336

3. combine函数可以是如上表中的hash拼接，也可以是任何其他抗碰撞的操作；此时序列的生成就如下图：
   

4. 任何拿到此类带Events的序列，也是可复现这个序列的；而这个证明过程则可并执行的。

如何证明所生成的历史证明

1. 可以将PoH序列切割成多个片段，然后交给多个核来证明或验算：

Core 1
Index	Data	Output Hash
200	sha256(hash199)	hash200
300	sha256(hash299)	hash300

Core 2
Index	Data	Output Hash
300	sha256(hash299)	hash300
400	sha256(hash399)	hash400
显然，多个核的并发处理肯定要更快，这也是PoH按顺序输出带来的一个福利吧。

2. 理论情况下，一个序列被证明所要花费的最短时间为：
   

Solana网络如何横向扩展规模

1. 从上节，我们了解了Verifying的动作是可以并发的，所以这个证明工作的横向扩展是没有问题的。
2. 但PoH Generating的动作，则是串行、单线程的，它该如何扩展，以便扩充Solana网络的处理能力？

• 集群划分片区，独立提供服务，肯定是可以提高吞吐量的，但这种分区是完全割裂的，实际上是两条独立的Solana区块链网络；
• 混入两个PoH生成器生成的Hash，可以保障时间序列证明链的同时，也可以让不同PoH生成器，去各自承担一部分外部的Event：
  

3. 要注意的一点，这种扩充规模的方式，是1+1 < 2的，是要损失若干性能的：

• 增加了PoH Generator之间的交互：

PoH Generator A			PoH Generator B
Index	Hash	Data	Index	Hash	Data
1	hash1a		1	hash1b
2	hash2a	hash1b	2	hash2b	hash1a
3	hash3a		3	hash3b
4	hash4a		4	hash4b

• 通信没有100%的正确率，多次交互叠加一起，会让错误率更大：

假设10gbps的网络的可靠性达到了0.999，但经过10次通信叠加后，这个可靠性只有0.999¹⁰=0.99。

如何保障一致性

1. 当存在恶意的PoH Generator，可能会生成与正常序列不一致的序列：

PoH Generator A			PoH Generator B
Index	Data	Output Hash	Index	Data	Output Hash
10		hash10a	10		hash10b
20	Event1	hash20a	20	Event3	hash20b
30	Event2	hash30a	30	Event2	hash30b
40	Event3	hash40a	40	Event1	hash40b

• 面对两个序列，都包含了关心的Events，但存放在链上的顺序不同，我们该信谁？

2. 交由用户来裁决：客户端会把它所认可的最新的序列的Hash，与它的event绑定，生成新的Event，而用这个Event来作为此次Hash生成的输入参数之一。

PoH Generator A
Index	Data	Output Hash
10		hash10a
20		hash20a
30		hash30a
40		hash40a

• 这样，上上张表中的恶意PoH Generator，如果作恶，用户从他绑定的Event里，就很容易被发现其序列的顺序有误，从而不被认可；由于没有人认可，所以它造再多的恶也没有用。

3. 为了防止恶意Generator拿到了用户原始内容event，引入不合规的hash来生成Event，进而作恶，客户端可以，并且实际上提交的是敏感信息的签名，如下表：

PoH Generator A
Index	Data	Output Hash
10		hash10a
20	Event1 = sign(append(event1 data, hash10a), Client Private Key)	hash20a
30	Event2 = sign(append(event2 data, hash20a), Client Private Key)	hash30a
40	Event3 = sign(append(event3 data, hash30a), Client Private Key)	hash40a

4. 到现在，序列的生成和序列就成下图所示的样子了：
   

生成PoH后会带来哪些开销

以每秒4000个hash来算：

1. ⽣成额外的 160 KB 数据。
2. 具有 4000 个内核的GPU花费⼤约 0.25-0.75 毫秒的时间来验证。

PoH会有哪些风险点，如何防御

逆序攻击( Reversal)

1. 什么是逆序攻击？

就是攻击节点，针对PoH序列中第二个Event开始（第一个Event是随机种子的导入），就可能编排入恶意的序列。

2. 允许其它节点从创世序列来延续后续的Events。
3. 在前面保持链网络系统 一致性，我们提到，PoH的生成，是允许客户端选择它认可的前导Event，并它混入自己的Event里，通过这些信息，就可以很容易地找出恶意序列与攻击切入点。

抢跑攻击(Speed)

1. 什么是抢跑攻击？

恶意节点的具有高性能的配置（计算速度快，网络带宽高等），理论上存在拥有PoH Generating的权利，并创建有利于自己的最长序列(链的验证者(Validators)一般都会采取贪婪算法，以便获得更多奖励，因此这种最长序列，理论上最易被共识认识)。如何防御这种攻击？

2. 让所有正常的节点，都升级，让作恶者的高性能优势荡然无存；但费用太高。
3. Solana推荐采用多个PoH Generator混合的方式，以更小的成本来阻止此类攻击的发生：

• 一个generator计算能力弱些，但带宽高，因此可以接收较多的Events，并将它们排序好就可；
• 另一个generator则带宽低，但计算能力强，它周期性地混入上面节点Events序列；
• 后一个generator可以计算得到第二个序列：Data序列；
• 而这第二序列将是比较长的，从而会使得恶意节点的抢跑，变得无效。

可以看到它，这种多节点混合的方式，将以更小的平均成本，有效地防御那些高性能的恶意节点。

长程攻击(Long Range attack)

1. 什么是长程攻击？
   
   采用PoS共识机制的链会比较容易受到此类攻击，因为攻击都拿到最多的股权质押，就可以通过不断地共识，在经历较长序列后，理论上是有可能制造出有利于自己的最长序列(链)。
2. Solana区块链网络中的节点的私钥采用了密钥演化算法，会自动更新；恶意节点拿到老旧的私钥期间，整个区块链的长度肯定会去增长；当恶意节点成为Leader，拥有PoH Generating的权利时，它要作恶，就必须生成同样或超过正常链长的节点数量。
3. 但在正常Leader生成链块时，已通过PoRep协议，将这些正常链块复制给了Verifiers，那作恶节点成为Leader生成的伪造区块，也将得不到Verifiers的共识或认同。

注：针对长程攻击，是结合PoH和PoRep来防御的。