权益证明（Proof Of Stake）—

权益证明，它提出来币龄的概念，币龄 = 持有的货币数 * 持有时间，比如说我有100币，持有了30天，那么我的币龄就是3000。币龄越大的节点呢获取记账权（也就是生成区块）的概率越大。每次记完账之后，该节点的币龄就清空。当然，刚获取的币不能直接参与币龄计算，一般是30天之后开始计算币龄。

那么这样会产生一个问题：囤币来获取绝对记账权。为了防止这种情况发生，会设置一个最大概率，一般设置90天时获得最大记账概率，之后不再增加。

但是POS本质上还是类似POW的暴力计算，只不过币多的人更有可能挖到矿，降低了POW的全网一致难度，谁算力强谁记账的局限性。

实验步骤：
本实验将通过go语言实现最简单的POS共识机制算法

实验准备
新建文件pos.go，并使用vs code编辑器打开。

导入所需包：

 package main import ("bytes""crypto/sha256""encoding/binary""fmt""math""math/big""math/rand""time")

定义常量设置最大最小概率，这里由于不可能等30天之后再计算币龄，我设置10秒之后开始计算，并且防止数据过大，按分钟计时：

 const (dif         = 2INT64_MAX   = math.MaxInt64MaxProbably = 255MinProbably = 235MaxCoinAge  = 10Minute      = 60)

定义币的数据结构和一个币池，这里币中提出了地址Address概念，一般理解为钱包地址，一般一个钱包属于一个用户，表明这个币的所有权是这个地址对应的用户：

type Coin struct {Time    int64Num     intAddress string}     var CoinPool []Coin

定义区块和链：

type Block struct {PrevHash  []byteHash      []byteData      stringHeight    int64Timestamp int64Coin      CoinNonce     intDif       int64}type BlockChain struct {Blocks []Block}

init函数，设置随机数种子和币池初始化，会在main函数开始前自动执行：

 func init() {rand.Seed(time.Now().UnixNano())CoinPool = make([]Coin, 0)}

生成创世块，传入的参数是区块上的数据data和挖矿地址addr，这里每个区块的币随机给出1到5，币池增加创世块的币：

  func GenesisBlock(data string, addr string) *BlockChain {var bc BlockChainbc.Blocks = make([]Block, 1)newCoin := Coin{Time:    time.Now().Unix(),Num:     1 + rand.Intn(5),Address: addr,}bc.Blocks[0] = Block{PrevHash:  []byte(""),Data:      data,Height:    1,Timestamp: time.Now().Unix(),Coin:      newCoin,Nonce:     0,}bc.Blocks[0].Hash, bc.Blocks[0].Nonce, bc.Blocks[0].Dif = ProofOfStake(dif, addr, bc.Blocks[0])CoinPool = append(CoinPool, newCoin)return &bc}

生成新区块函数，还是一样，prevHash对应上一个节点的Hash，随机给出1-5币奖励，记录该币的所有者地址addr，币池增加新区块的币：

func GenerateBlock(bc *BlockChain, data string, addr string) {prevBlock := bc.Blocks[len(bc.Blocks)-1]newCoin := Coin{Time:    time.Now().Unix(),Num:     1 + rand.Intn(5),Address: addr,}b := Block{PrevHash:  prevBlock.Hash,Data:      data,Height:    prevBlock.Height + 1,Timestamp: time.Now().Unix(),}b.Hash, b.Nonce, b.Dif = ProofOfStake(dif, addr, b)b.Coin = newCoinbc.Blocks = append(bc.Blocks, b)CoinPool = append(CoinPool, newCoin)}

权益证明算法
POS机制的核心算法：设置的是10s之后开始计算币龄，根据币龄coinAge调整当前难度Dif以获取真实难度realDif。挖矿还是类似POW寻找一个nonce加在尾部，寻找到第一个满足真实难度realDif的sha256哈希串：

func IntToHex(num int64) []byte {buff := new(bytes.Buffer)err := binary.Write(buff, binary.BigEndian, num)if err != nil {panic(err)}return buff.Bytes()}func ProofOfStake(dif int, addr string, b Block) ([]byte, int, int64) {var coinAge int64var realDif int64realDif = int64(MinProbably)curTime := time.Now().Unix()for k, i := range CoinPool {if i.Address == addr && i.Time+MaxCoinAge < curTime {//币龄增加, 并设置上限var curCoinAge int64if curTime-i.Time < 3*MaxCoinAge {curCoinAge = curTime - i.Time} else {curCoinAge = 3 * MaxCoinAge}coinAge += int64(i.Num) * curCoinAge//参与挖矿的币龄置为0CoinPool[k].Time = curTime}}if realDif+int64(dif)*coinAge/Minute > int64(MaxProbably) {realDif = MaxProbably} else {realDif += int64(dif) * coinAge / Minute}target := big.NewInt(1)target.Lsh(target, uint(realDif))nonce := 0for ; nonce < INT64_MAX; nonce++ {check := bytes.Join([][]byte{b.PrevHash,[]byte(b.Data),IntToHex(b.Height),IntToHex(b.Timestamp),IntToHex(int64(nonce)),},[]byte{})hash := sha256.Sum256(check)var hashInt big.InthashInt.SetBytes(hash[:])if hashInt.Cmp(target) == -1 {return hash[:], nonce, 255 - realDif}}return []byte(""), -1, 255 - realDif}

再写个打印区块和打印币池函数：

 func Print(bc *BlockChain) {for _, i := range bc.Blocks {fmt.Printf("PrevHash: %x\n", i.PrevHash)fmt.Printf("Hash: %x\n", i.Hash)fmt.Println("Block's Data: ", i.Data)fmt.Println("Current Height: ", i.Height)fmt.Println("Timestamp: ", i.Timestamp)fmt.Println("Nonce: ", i.Nonce)fmt.Println("Dif: ", i.Dif)}}func PrintCoinPool() {for _, i := range CoinPool {fmt.Println("Coin's Num: ", i.Num)fmt.Println("Coin's Time: ", i.Time)fmt.Println("Coin's Owner: ", i.Address)}}

写个main函数测试看看，虚拟两个地址，当然，真实区块链的地址不可能这么简单，需要使用公钥生成地址算法。
给addr1先记账，获取一定币，等待可以计算币龄时再次记账，再给新地址addr2记账，看看难度对比：

    func main() {addr1 := "192.168.1.1"addr2 := "192.168.1.2"bc := GenesisBlock("reigns", addr1)GenerateBlock(bc, "send 1$ to alice", addr1)GenerateBlock(bc, "send 1$ to bob", addr1)GenerateBlock(bc, "send 2$ to alice", addr1)time.Sleep(11 * time.Second)GenerateBlock(bc, "send 3$ to alice", addr1)GenerateBlock(bc, "send 4$ to alice", addr2)Print(bc)PrintCoinPool()}

查看打印结果：

PrevHash:
Hash: 000002ef0acef37ede164d80ed8ae2cb712fd14b3ff9fb155af6e5f953e58bff
Block's Data:  reigns
Current Height:  1
Timestamp:  1591982949
Nonce:  2561632
Dif:  20
PrevHash: 000002ef0acef37ede164d80ed8ae2cb712fd14b3ff9fb155af6e5f953e58bff
Hash: 0000055e4d37559923cdbc5693d66752c9bba19b64ba1a93610a3c4531174eab
Block's Data:  send 1$ to alice
Current Height:  2
Timestamp:  1591982954
Nonce:  4042915
Dif:  20
PrevHash: 0000055e4d37559923cdbc5693d66752c9bba19b64ba1a93610a3c4531174eab
Hash: 0000747cc3ae3a6bed3d29a8f996e7946cdc9aec40d4a46cce9737b736b2859a
Block's Data:  send 1$ to bob
Current Height:  3
Timestamp:  1591982966
Nonce:  20853
Dif:  16
PrevHash: 0000747cc3ae3a6bed3d29a8f996e7946cdc9aec40d4a46cce9737b736b2859a
Hash: 0000044ec9d575112cede61b3924ad5d83bcbe871520141ae903f5cbe7d0f004
Block's Data:  send 2$ to alice
Current Height:  4
Timestamp:  1591982966
Nonce:  1306376
Dif:  20
PrevHash: 0000044ec9d575112cede61b3924ad5d83bcbe871520141ae903f5cbe7d0f004
Hash: 0000e1c3323d955940188536908424b25ec3e7e7bd09c7eee7b00b5be7c689ee
Block's Data:  send 3$ to alice
Current Height:  5
Timestamp:  1591982980
Nonce:  6648
Dif:  14
PrevHash: 0000e1c3323d955940188536908424b25ec3e7e7bd09c7eee7b00b5be7c689ee
Hash: 0000019be7a6d4d2c1530473f352410988b66f263b267a45556ab9a2ad8774db
Block's Data:  send 4$ to alice
Current Height:  6
Timestamp:  1591982980
Nonce:  71126
Dif:  20
Coin's Num:  4
Coin's Time:  1591982980
Coin's Owner:  192.168.1.1
Coin's Num:  5
Coin's Time:  1591982980
Coin's Owner:  192.168.1.1
Coin's Num:  2
Coin's Time:  1591982980
Coin's Owner:  192.168.1.1
Coin's Num:  2
Coin's Time:  1591982980
Coin's Owner:  192.168.1.1
Coin's Num:  2
Coin's Time:  1591982980
Coin's Owner:  192.168.1.1
Coin's Num:  1
Coin's Time:  1591982980
Coin's Owner:  192.168.1.2

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