DPoS 及其在 Plasma Cash 中的实现

引言

如今，很少有人不知道加密货币及其对等技术——区块链。

在未开化的人眼中，区块链主要与金融领域相关联，但这种创新技术实际上可以用于广泛的应用，例如

• 旅游
• 物流
• 银行
• 法律
• 建筑
• 保险
• 能源
• 医疗
• 以及许多其他领域

是什么让区块链如此有用？首先，它阻止了黑客入侵计算机系统和网络本身。区块链所包含的逻辑是不可违背的。存储在那里的数据由所有节点共享，并且永远无法删除。

区块链的不可篡改性只能通过在分布式网络中实现共识算法来实现。有很多这类算法，但最常见的是中本聪在 2008 年发明的“工作量证明”（PoW）算法，它在加密经济学领域引发了一场革命。

拜占庭将军问题（BGP）是分布式计算机系统网络面临的一个寓言，其中所有参与方必须就一个单一的策略达成一致，以避免完全失败，但其中一些参与方可能腐败且不可靠。BGP 已被用于形式化共识算法，并且已经存在了一段时间，但 Satoshi 的 PoW 算法提供了一个更优雅的解决方案。

拜占庭军队由许多远距离分布的军团组成，每个军团都有自己的将军，将军又服从于主将。在战前，主将会向所有其他将军发出命令，是进攻还是撤退。但有人怀疑一些将军是叛徒，他们故意收到不同的命令。其想法是

• 如果所有忠诚的将军都进攻，军队就会获胜
• 如果所有忠诚的将军都撤退，军队就会安全
• 如果任何一位将军独立行动，军队就会被击败

拜占庭将军的任务是找出叛徒，将他们排除在决策系统之外，并达成共识。当应用于分布式网络时，BGP 确保系统中的所有节点都达成共识。

在比特币中，当我们着手寻找区块哈希的挑战时，我们可以提供证据表明已进行了复杂的操作，大大增加了解决方案的重要性。通过从足够多的证明中累积链，有可能获得系统和网络的可靠一致状态。这就是共识算法的本质。

去中心化网络使用各种算法或逻辑方案来达成共识。按流行度降序排列的三个主要区块链共识算法是：工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）和委托权益证明（DPoS）。工作量证明是最古老、最被证明且在区块链中最常用的共识算法。

工作量证明算法早已证明了其巨大的可靠性和重要性。同时，它有一个显著的缺点——它需要大量的电力和资源来运行。因此，通过货币获取获得的利润不足以抵消损失。

理论上，可以发明一种甚至能更快找到哈希并执行工作量证明的程序，从而有可能破解共识，使网络更加中心化。

第二个算法——权益证明，要求相关方必须投票给下一个区块以达成共识。用户因参与网络而获得更多的币作为奖励。这种方法与 PoW 矿工因其努力而获得奖励的方式非常相似。

权益证明算法仍然是去中心化的，但它不需要大量的电力和资源。您可以简单地购买一定数量的代币。

PoS 的主要缺点可以被描述为“无风险”。投资是在消耗能量时发生的，但在 PoS 的情况下，没有什么风险，可以生成任意数量的链。

另一个问题是，越来越多的代币被最大的代币持有者累积，导致中心化风险很高。可以开发一种算法来公平地选择共识参与者，但这将非常复杂。

在工作量证明和权益证明被实施到各种加密货币中后不久，就推出了委托权益证明（DPoS）。对于传统的 PoS，任何人都可以充当权益节点。然而，DPoS 有选举出的代表，由他们的同僚选择来执行特定角色。在 DPoS 环境中，只有当选的节点才能选择区块并为共识做出贡献。

DPoS 的主要优势在于，该算法鼓励用户诚实行为，仅仅因为这样做对他们有利。

另一个很大的优势是 DPoS 提供了更高的可扩展性。如果节点代表集是已知的，那么许多参数都可以进行优化。然后就可以快速达成共识。

然而，中心化程度的提高是一个缺点。

尽管存在缺点，DPoS 为 Plasma Cash 的实现提供了一个完美的解决方案！需要一个子链来提高吞吐量，而子链并不需要完全去中心化。

理想情况下，Plasma Cash 可以作为一个庞大的运营商运行，但数量更多的代表可以提高网络的可靠性，并且它们可以由各种组织控制。这大大增加了信任度。

DPoS 回答了“谁将参与共识？”这个问题。

为此，在 Plasma 链中引入了新的交易：投票/取消投票给代表。这使参与者有机会提名代表候选人。然后，在共识阶段，所有代表都根据投票数和他们的权益进行排序。

查看 Opporty 公司为实现 Plasma 和 DPoS 编写的代码

• https://github.com/opporty-com/Plasma-Cash/blob/3653c201dbec5863c60d2efd472cefdb76639ff5/plasma-core/cli/index.js#L15

DPoS 共识算法的每项操作都有其自己的交易类型。已实现的交易类型如下

• vote - 为候选验证人投票
• unvote - 取消投票
• pay - 将代币转移给另一个成员
• candidate - 将地址添加到候选人列表
• resignation - 从候选人列表中删除地址

进入子链后，所有这些交易都必须经过强制验证

• https://github.com/opporty-com/Plasma-Cash/blob/28822f8d7ab776724dcb3e59efd247eebaa8d827/plasma-core/child-chain/validator/transactions/payTx.js#L11

async function validatePayTx(transaction) {
  checkTransactionFields(transaction)
  const tokenOwner = await getSignatureOwner(transaction)
  if (tokenOwner != config.plasmaNodeAddress) {
    const utxos = await getUtxosForAddress(tokenOwner)
    let tokenId = transaction.tokenId.toString()
    checkUtxoFieldsAndFindToken(utxos, tokenId, tokenOwner)
  }
  return {success: true}
}
const validateVoteTx = async (transaction) => {
  await validatePayTx(transaction)
  return {success: true}
}
const validateUnvoteTx = async (transaction) => {
  checkTransactionFields(transaction)
  let addsTransaction = await checkAndGetAddsHistoryTx(transaction)
  if (ethUtil.addHexPrefix(addsTransaction.newOwner.toString('hex'))
    != ethUtil.addHexPrefix(transaction.newOwner.toString('hex'))) {
    throw new Error(rejectCauses.failHistory)
  }
  return {success: true}
}
const validateCandidateTx = async (transaction) => {
  await validatePayTx(transaction)
  return {success: true}
}
const validateResignationTx = async (transaction) => {
  checkTransactionFields(transaction)
  await checkAndGetAddsHistoryTx(transaction)
  return {success: true}
}

执行“unvote”或“resignation”类型的交易时，需要检查历史记录和是否存在具有特定投票数和特定代币的验证人。这由 checkAndGetAddsHistoryTx 函数完成。它验证来自特定用户的投票是否存在于交易历史记录中。如果投票存在，则可以取消投票，或者用户可以从验证人列表中删除（交易类型“resignation”）。

const checkUtxoFieldsAndFindToken = (utxos, tokenId, tokenOwner) => {
  for (let i = 0; i < utxos.length; i++) {
    if (!utxos[i].owner ||
      !utxos[i].tokenId ||
      !utxos[i].amount ||
      !(utxos[i].blockNumber > -1)) {
      continue
    }
    if ((utxos[i].tokenId === tokenId) &&
      (utxos[i].owner === tokenOwner)) {
      return {success: true}
    }
  }
  throw new Error(rejectCauses.noUtxo)
}

验证后，状态会发生变化，验证人将被添加到/从验证人列表中删除。

• https://github.com/opporty-com/Plasma-Cash/blob/28822f8d7ab776724dcb3e59efd247eebaa8d827/plasma-core/child-chain/validator/transactions/transitions.js#L25

const checkAndGetAddsHistoryTx = async (transaction) => {
  const faceThatRemoves = await getSignatureOwner(transaction)
  let blockKey = 'block' + transaction.prevBlock
  let block = (new Block(await redis.getAsync(Buffer.from(blockKey))))
  if (!block) {
    throw new Error(rejectCauses.failHistory)
  }
  let addsTransaction = block.getTxByTokenId(transaction.tokenId)
  if (!addsTransaction) {
    throw new Error(rejectCauses.failHistory)
  }
  let faceThatAdds = await getSignatureOwner(addsTransaction)
  if (faceThatAdds != faceThatRemoves) {
    throw new Error(rejectCauses.failHistory)
  }
  return addsTransaction
}

对于“vote”交易，会将权益添加到列表中的特定代表——stateValidators.addStake(stake)。

const unvoteTxExecute = async (transaction, blockNumber) => {
  const newOwner = await getSignatureOwner(transaction)
  let oldOwner = ethUtil.addHexPrefix(transaction.newOwner.toString('hex'))
  let stake = {
    voter: newOwner,
    candidate: JSON.parse(transaction.data.toString()).candidate,
    value: 1,
  }
  await stateValidators.toLowerStake(stake)
  await utxoTransition(transaction, blockNumber, newOwner, oldOwner)
  return {success: true}
}

对于“unvote”交易，则发生相反的情况——等待提取权益：stateValidators.toLowerStake(stake)。

const candidateTxExecute = async (transaction, blockNumber) => {
  const oldOwner = await getSignatureOwner(transaction)
  await stateValidators.addCandidate(oldOwner)
  let newOwner = ethUtil.addHexPrefix(transaction.newOwner.toString('hex'))
  await utxoTransition(transaction, blockNumber, newOwner, oldOwner)
  return {success: true}
}

当执行“candidate”交易时，代表只需添加到列表中——stateValidators.addCandidate(oldOwner)。

const resignationTxExecute = async (transaction, blockNumber) => {
  const newOwner = await getSignatureOwner(transaction)
  let oldOwner = ethUtil.addHexPrefix(transaction.newOwner.toString('hex'))
  await stateValidators.removeCandidate(newOwner)
  await utxoTransition(transaction, blockNumber, newOwner, oldOwner)
  return {success: true}
}

或者在“resignation”交易的情况下被删除。
在所有情况下，都会发生状态转换，并且代币会被花费。它会被发送到主 Plasma 地址或返回给前所有者。使用 utxoTransition 函数。
需要明白的是，所有阶段都根据区块提交时间分成相等的几部分。代表在列表中的顺序在每个阶段都以伪随机的方式改变。
所有这些都是以严格确定性的方式发生的

• https://github.com/opporty-com/Plasma-Cash/blob/639d0ae00d3e618d861d2b8b0dfc79c38b3fef18/plasma-core/consensus/validatorsQueue.js#L48

async prepareValidators() {
    let seedData = Math.floor(Date.now()/config.roundInterval)
    this.hungValidators = Object.assign([], this.validators)
    let seedSource = crypto.createHash('sha256')
      .update(String(seedData), 'utf8').digest()
    for (let i = 0, delCount = this.hungValidators.length; i < delCount; i++) {
      for (let x = 0; x < 4 && i < delCount; i++, x++) {
        let newIndex = seedSource[x] % delCount
        let b = this.hungValidators[newIndex]
        this.hungValidators[newIndex] = this.hungValidators[i]
        this.hungValidators[i] = b
      }
    }
    return 'ok'
  }

验证人代表根据当前轮次（轮次根据当前日期计算）进行排序。在任何时候都可以识别出当前验证人

async getCurrentValidator() {
    let dateStamp = Date.now()
    let index = Math.floor((dateStamp / config.blockTime) %
    (this.hungValidators.length))
    return this.hungValidators[index]
  }

在任何单一时刻，可能只有一个所有人都知道的代表，而这个代表就是当前的验证人。只有这个参与方可以添加一个有效的区块。所有其他矿工都必须等待轮到他们。

如果代表行为不端，他们可以被简单地从列表中排除。

委托权益证明的想法实际上非常简单。尽管如此，该算法相当快且完全去中心化。

Opporty 公司引入了一种新的 DPoS 共识——Plasma，它在适当的中心化程度下提供了最高级别的安全性。

事实上，子链是区块链经典形式的完整实现

• 区块链
• 分布式数据库
• 用于协调的 DPoS 共识算法
• 压缩的 Patricia 树用于保存状态

通过 Plasma，两个区块链能够完全同步地工作，互为补充。

以太坊提供最大的稳定性和可靠性。基于 DPoS 的 Plasma 能够在主网络之外实现去中心化，并显著提高区块链每秒处理的交易数量。

有用链接

1. Plasma 白皮书
2. DPoS
3. 以太坊区块链的隐私和可扩展性解决方案
4. 共识
5. 拜占庭容错
6. 侧链 vs Plasma vs Sharding
7. Vitalik Buterin 谈 DPoS
8. Slasher Ghost 和其他权益证明方面的进展
9. 以太坊中的 Merkle 化

历史

• 2019 年 7 月 18 日：初始版本