硬核丨 Blockstack 提出的 PoX 共识有何改进？

Blockstack 概述

Blockstack 是一个开源的、开发者友好的生态平台，支持开发者基于它开发去中心化应用和智能合约。Blockstack 生态由多个系统组成，共同为开发者提供构建去中心化应用所需的组件：

• 区块链层。Stacks 区块链（https://github.com/blockstack/stacks-blockchain）是 Blockstack 生态的基础，它通过共识机制 PoX （Proof of Transfer，转移证明）继承了比特币网络的安全性，同时提供了智能合约语言 Clarity，开发者可以使用它编写安全的智能合约。

• 去中心化存储。Blockstack Gaia 存储系统（https://github.com/blockstack/gaia）主要存储用户的应用程序数据，无需引入中心化信任方，可以为用户提供高性能和高可用性的数据读写。

• 去中心化账户。Blockstack Connect 是一个 JS 库（https://github.com/blockstack/ux/tree/master/packages/connect），用于将 Blockstack 身份验证和智能合约集成到应用程序中。

• 开发者工具。包括开发者程序库和工具包，比如：生成 Stacks 交易的 JS 库（https://github.com/blockstack/stacks-transactions-js）等。

4 月 24 日启动的 Stacks 2.0 公开测试网（https://www.blockstack.org/testnet）共分为四个阶段，目前处于第二阶段 Argon 和第三阶段 Krypton 之间，用户可参与 Stacks Mining 以及 Clarity 智能合约开发，进行 PoX Stacking 操作需等到第三阶段。

PoX 介绍

2020 年初，Blockstack 提出 Stacks 区块链共识机制的 2.0 版本（提案 SIP-007），在燃烧证明 PoB （Proof of Burn）的基础上使用传输证明 PoX （Proof of Transfer）。

Blockstack 原有 PoB 共识（提案 SIP-001）选择燃烧比特币（即发送比特币到特定的废弃地址）获取 Blockstack 原生代币 STX 的出块概率。PoB 的缺点在于对比特币社区的伤害，燃烧的比特币相当于永久销毁。

PoX 在 PoB 的基础上，将燃烧的比特币以一定比例返还给持币用户，返还的方式是直接通过比特币交易分配给每个满足条件的持币用户。

PoX 流程

PoX 中有两种角色：

• Stacker- 在 Stacks 区块链上发送签名消息参与 Stacking 共识中的交易验证，从而获得参与奖励 BTC。

• Miner- 在 Stacks 区块链上发送比特币交易参与 Stacking 共识中的竞争出块，从而获得挖矿奖励 STX。

Stacks 区块链的 PoX 流程中有两个重要的角色：Stacker 和 Miner。Stacker 通过临时锁定 STX 来获取比特币，Miner 则通过转移比特币来获取 STX。

- Stacker

具备一定阈值以上数量的 STX 持有者，可以发送一个签名消息，将其持有的 STX 锁定一个奖励周期，并指定一个比特币地址来收取参与奖励，同时投票选择一个 Stacks Chain 的当前分支。

要成为 Stacker 需要 STX 持有者满足以下两个条件：

• 具备一定阈值以上数量的 STX 。

• 可以发送一个签名消息，将其持有的 STX 锁定一定周期，并指定一个比特币地址来收取参与奖励，同时投票选择一个 Stacks Chain 的当前分支。

- Miner

Miner 通过“燃烧”比特币竞争成为 Leader 获取出块权，PoX 协议使用可验证的随机函数（VRF）按 Miner 发送的比特币数量加权排序，选择一个获胜矿工作为 Leader，由它产生新的区块，并发放奖励。Leader 选举是通过比特币区块大约每 10 分钟进行一次。以下为运行 Miner 节点的日志：

./target/release/stacks-node start --config=./testnet/stacks-node/conf/neon-miner-conf.toml

==> ./testnet/stacks-node/conf/neon-miner-conf.toml

INFO [1589252363.341] [hide/chainstate/stacks/index/marf.rs:764] First-ever block 0f9188f13cb7b2c71f2a335e3a4fc328bf5beb436012afca590b1a11466e2206

INFO [1589252421.526] [hide/burnchains/burnchain.rs:842] Node will fetch burnchain blocks 0-1822...

INFO [1589253317.540] [testnet/stacks-node/hide/run_loop/neon.rs:50] Configured as a miner: checking if we have UTXOs at address: mnjQP5D5AtuyrsE1wbGvueyQFey24ginXn

INFO [1589253324.729] [testnet/stacks-node/hide/run_loop/neon.rs:58] Have UTXOs, starting up as miner

INFO [1589253324.757] [hide/chainstate/stacks/index/marf.rs:764] First-ever block 8aeecfa0b9f2ac7818863b1362241e4f32d06b100ae9d1c0fbcc4ed61b91b17a

INFO [1589253324.775] [hide/chainstate/stacks/db/accounts.rs:179] STB44HYPYAT2BB2QE513NSP81HTMYWBJP02HPGK6 credited: 10000000000000000 uSTX

转换日志中的时间戳可以看出节点在 2020-05-12 11:00:21 启动，并在 2020-05-12 11:15:17 成为 Miner。

在 PoX 流程中，不同的节点对奖励集取得一致共识是困难的，会面临分叉 fork 和丢失区块数据等问题，如何在节点间取得共识？Stacks 的解决方法是 将共识分为两个阶段，即准备阶段（prepare）和奖励阶段（reward）。

准备阶段是指一个在奖励阶段之前的窗口期 w ，比如 240 个比特币区块，在此阶段主要确定以下两项：

• 锚定区块（Anchor）。这是 Stacks 链的区块，Miner 和 Stacker 均参与锚定区块的选择。在该阶段 Stacks 节点（Miner）确定某个区块是否达到 F * w 个区块确认，同时 Stacker 会广播发出由其签名的对锚定区块支持的消息，在窗口期 w 结束时，Stacks 节点将找到潜在的锚定区块。

• 奖励集。奖励阶段结束奖励的比特币地址集，通过 Stacks 链的状态而确定。

奖励阶段，Miner 通过广播区块提交，将比特币提交发送至有效地址来竞争获取奖励。有效地址由两条规则决定：

• 如果 Miner 未从任何锚定区块的链上构建，则将提交的比特币发送到燃烧地址；

• 否则将 Miner 提交的比特币发送到从奖励集中使用 VRF 随机选择的 5 个地址。

如缺少锚定区块数据，则 Stacks 节点将奖励阶段视为未选择锚定区块（比如回退到燃烧证明 PoB）。

参与 Stacking

在 PoX 中，Stacking 是指 STX 持有者通过临时锁定其 STX 赚取 BTC 作为参与奖励的过程。Stacking 是使用已有区块链的 PoW 加密货币保护新区块链的机制。其经济利益是，新加密货币的持有者可以通过积极参与 Stacking 来获得基础加密货币奖励。在目前提案中，基础加密货币是比特币。

- Miner 门槛

基于当前的了解，成为 Miner 需要：

• 持有 BTC

• 运行 Miner 节点

之后可能会有一个单独的 Miner CLI 程序（参见 Github issue 1441），它将与 STX 节点协作，执行以下 Mining 操作：

• Mining 前，Miner 通过比特币交易在比特币区块中注册其 VRF 密钥；

• 收集交易并将其打包进区块中；

• 生成一笔区块提交交易包括 VRF 密钥和区块哈希；

• 广播该区块；

• 生成并广播要附加到其区块的 micro 区块（可选）。

- Stacker 门槛

在目前的提案中，参与 Stacking 所需的 STX 的数量门槛与全网参与 Stacking 的总量挂钩，也就是说 Stacker 门槛是根据参与度动态调整的。PoX 矿工都会将比特币发送至一组满足以下条件的持币者：

• 持有的 STX 大于或等于流通总量的 0.02％，用来确保每个奖励周期都足以覆盖所有参与者。以 25% 为划分为两类参与度：

- 小于 25%，最小参与门槛为 1/20000 * 流通量。

- 介于 25%~100% 之间，最小参与门槛为 1/5000 * 流通量。以流通量 648,439,298 STX 和 100% 参与率计算，门槛是持有 129687 STX。

• 在奖励周期开始之前，广播签名消息。

Stacking 收益

PoX 中有两类角色，即有两种方式参与 Stacking 获得收益。

关于矿工 Miner 的收益，协议为提升 Miner 的参与度，设计了自适应的挖矿和燃烧机制，这样每个区块的奖励是动态。目前的提案是：前 5 年，区块奖励为 500 STX/Block，接下来的 5 年，区块奖励为 400 STX/Block，剩余时间，区块奖励为 300 STX/Block。

作为持币用户 Stacker，每个奖励周期每个“合格”的 Stacker 都会得到奖励，如参与 Stacking 的“用户”（奖励地址）较少，那么每个“用户”获得的收益相应地会较多。

具体的收益计算涉及到一些概念和因素：

• Reward Set / Reward Address，奖励集 / 奖励地址，一个周期内 5 个地址将获得 PoX 奖励；

• Reward Cycle，奖励周期，一个周期为 1000 个区块；

• 当前 STX 的流通总量；

• 以及矿工转移 BTC 出块获得 STX 对应的实际价值。

举个例子，假设 STX 代币按照当前交易所价格稳定为 $0.2，且假设参与 Stacking 的奖励地址有 4000 个，且假设当前网络中矿工燃烧的比特币为 100 个。那么根据当前 STX 流动量（https://explorer.blockstack.org/），按 Stacker 的最低参与门槛锁定 50,000 个 STX 计算，Stacker 每月获得的 BTC 对应的美元价值约为 $294。

可通过这个应用来进行预估：

https://stackulator.netlify.app/

如何阻止 Miner 联盟

由于 Stacking 奖励可能产生矿工联盟，SIP-007 中提到一种有时间限制（Time-Bounded）的 PoX 方案，在主网启动 x 年后，PoX 将转为 PoB。

• 初始阶段，10 万个区块大约 2 年。使用上述提到的 Stacks 奖励。

• 过渡阶段，40 万个区块大约 8 年，每个奖励周期的奖励和燃烧率比例线性降低 0.25％（100/400）。

参考资料

Blockstack 技术白皮书 v2.0：https://blockstack.org/whitepaper-ch.pdf

Token 白皮书 v2.0：https://blockstack.org/tokenpaper.pdf

PoX 白皮书 v0.2：https://blockstack.org/pox.pdf

SIP-001 Burn 选举提案：https://github.com/blockstack/stacks-blockchain/blob/develop/sip/sip-001-burn-election.md

SIP-007 Stacking 共识提案：https://github.com/blockstack/stacks-blockchain/blob/develop/sip/sip-007-stacking-consensus.md

Blockstack 路线图：https://www.blockstack.org/p/roadmap

Stacks 2.0 测试网网站：https://testnet.blockstack.org/

Stacking：https://forum.blockstack.org/t/stacking-a-new-consensus-algorithm-for-blockchains/10162

PoX：https://forum.blockstack.org/t/proof-of-transfer-pox-whitepaper/10315/16

奖励地址：https://forum.blockstack.org/t/stacking-protocol-adjusting-reward-threshold-based-on-participation/10649

Stacks 2.0 testnet updates：https://forum.blockstack.org/t/stacks-2-0-testnet-launch-update/10683

矿工的 CLI 程序：https://github.com/blockstack/stacks-blockchain/issues/1441

PoX AMA：https://mp.weixin.qq.com/s/NtFBtolLjYMyeia8G1_ZOA