初鏈主網上線解讀之——抗ASIC
一. ASIC如何規避馮諾依曼瓶頸
在介紹初鏈的Truehash演算法之前，首先介紹一下什麼是ASIC。
回首這些年礦機的發展脈絡，會發現一條清晰的路徑：
CPU->GPU->FPGA->ASIC
那麼，ASIC為何戰勝了CPU/GPU，成為了主流礦機？其中很大一部分原因是CPU/GPU為了方便多樣性計算，採用了馮諾依曼架構：
馮諾依曼架構大致分三個部分，記憶體、控制單元、計算單元。運算程式與所運算的資料都寫在記憶體中，執行計算時候向計算單元傳輸。 傳輸頻寬所帶來的計算瓶頸，我們稱之為馮諾依曼瓶頸。
我們將積體電路可以簡單的看作多個場效電晶體的結合。CPU的能耗和有多少個場效應電晶體參與工作有關，還和頻率是正相關的。一個指令在CPU中的執行，要不要排程運算器，要不要訪問外存，要不要回寫，在不在L1中都會在調動電晶體數目上產生差別。
在挖礦效能上，少不了一個重要的指標： 每瓦Hash 。
在CPU中，一些不相干的指令，如：Fetch指令和decode佔據了大頭，而執行Hash的過程才佔據不到10%。這就是完成同樣功能，ASIC很省電，而CPU很費電的原因:ASIC不需要執行無關的指令，它將運算程式直接寫死在計算單元裡，只需要計算Hash即可。專心做一件事並做到最好，完美規避馮諾依曼瓶頸，這就是ASIC的優勢！
二. 抵制ASIC，意義何在
既然ASIC這麼強大，那麼使用ASIC不好嗎，為什麼要抵制它？
讓我們從數字貨幣的源頭去尋找，比特幣的白皮書，第6章，第一段:
每個區塊的第一筆交易進行特殊化處理，該交易產生一枚由該區塊創造者擁有的新的電子貨幣。這樣就增加了節點支援該網路的激勵，並在沒有中央集權機構發行貨幣的情況下，提供了一種將電子貨幣分配到流通領域的一種方法。這種將一定數量新貨幣持續增添到貨幣系統中的方法，非常類似於耗費資源去挖掘金礦並將黃金注入到流通領域。此時，CPU的時間和電力消耗就是消耗的資源。
這一章表述地非常明白，挖礦的本質就是 沒有中央集權背景下的印鈔和分發貨幣 。挖礦是一種公平的派發貨幣的過程。
有了以上基礎，我們開始進入——初鏈的Truehash演算法。
三. 初鏈Truehash演算法
從 BTC 之後，很多區塊鏈開發者一直在嘗試各種不同的抗 ASIC 挖礦演算法。從最終結果來看，這些嘗試無疑都是失敗的。在新一代公鏈中，初鏈研究團隊作為PoW的捍衛者和拯救者，獨創了本質上抗ASIC的挖礦演算法，可以實現演算法的隨機切換，使得再強大的ASIC也無法繞過馮諾依曼瓶頸，從而保護普通礦工的權益。
根本上抗 ASIC 的演算法，需要滿足以下幾點：
-
設 S 為一個演算法集合，所有實現了 S 的演算法，不能繞開馮諾依曼瓶頸。
-
每 T 個區塊切換一次演算法，切換方式必須滿足可驗證性和隨機性。
-
演算法切換不依賴手動調整。
在普通挖礦演算法中，將 blockheade, nonce等資訊經過 padding等運算之後，會形成一個向量 v(nonce)。
我們再來看一下初鏈的truehash演算法，它首先檢測dataset的狀態：
func (m *Minerva) CheckDataSetState(blockNum uint64) bool{
dataset := m.dataset
if dataset.dateInit == 0{
//如果blockNum（區塊數）小於12000
if blockNum <= UPDATABLOCKLENGTH{
//初始化truehashTable
m.truehashTableInit(dataset.evenDataset)
dataset.dataset = &dataset.evenDataset
}else{
//重點，在這裡開始進行資料集的置換
bn := (blockNum / UPDATABLOCKLENGTH -1 ) * UPDATABLOCKLENGTH + STARTUPDATENUM + 1
in :=(blockNum / UPDATABLOCKLENGTH) % 2
//如果 blockNum > UPDATABLOCKLENGTH 則改變 lookutable 生成奇數或偶數集
if in == 0{
//設定dataset的偶數資料集
dataset.dataset =&dataset.evenDataset
//標誌位初始化
dataset.oddFlag = 0
dataset.evenFlag = 0
}else{
//設定dataset的奇數資料集
dataset.dataset =&dataset.oddDataset
dataset.oddFlag = 0
dataset.evenFlag = 0
}
//更新LookupTBL
m.updateLookupTBL( bn, *dataset.dataset)
}
dataset.dateInit = 1
}
if blockNum %UPDATABLOCKLENGTH >= STARTUPDATENUM {
//開始更新 lookuptable
in :=(blockNum / UPDATABLOCKLENGTH) % 2
//將 lookutable 進行奇偶切換
if in == 0{
//是偶數，將dadaset設定為奇數
if dataset.oddFlag == 0 {
//更新LookupTBL
res := m.updateLookupTBL(blockNum, dataset.oddDataset[:])
if res {
//更新成功，將dataset奇數標誌位設為1
dataset.oddFlag = 1
}else{
//更新失敗
return false
}
}
}else{
//是奇數，將dadaset設定為偶數
if dataset.evenFlag == 0 {
res := m.updateLookupTBL(blockNum, dataset.evenDataset[:])
if res {
dataset.evenFlag = 1
}else{
return false
}
}
}
}
if blockNum %UPDATABLOCKLENGTH == 1{
in :=(blockNum / UPDATABLOCKLENGTH) % 2
//改變 lookutable，生成資料集
if in == 0{
//設定偶數資料集
dataset.dataset = &dataset.evenDataset
dataset.evenFlag = 0
}else{
//設定奇數資料集
dataset.dataset = &dataset.oddDataset
dataset.oddFlag = 0
}
}
return true
}
這段函式涉及到的主要有truehashTable(truehash表)，evenDataset（偶數集），oddDataSet（奇數集），實現的功能是：進行條件檢測，來生成區塊或置換dataset資料集。
這裡UPDATABLOCKLENGTH = 12000
如果區塊數小於等於12000個，那麼則初始化truehash表，生成區塊。
如果區塊數大於12000個，那麼開始進行dataset資料集的更換。
dataset資料集的改變，顯然影響到了truehash演算法的改變。接下來進入到truehash函式
// 計算這個nonce的工作量 digest, result := truehashFull(*m.dataset.dataset, hash, nonce)
看函式裡面的實現：
func fchainmining( plookup []uint64, header []byte, nonce uint64) ([]byte, []byte){
var seed [64]byte
output := make([]byte, DGSTSIZE)
val0 := uint32(nonce & 0xFFFFFFFF) //產生0~4294967295的一位數
val1 := uint32(nonce >> 32)
fork:= 3; k >= 0; k-- {
seed[k] = byte(val0) & 0xFF
val0 >>= 8
}
for k := 7; k >= 4; k-- {
seed[k] = byte(val1) & 0xFF
val1 >>= 8
}
dgst := make([]byte, DGSTSIZE)
for k := 0; k < HEADSIZE; k++{
seed[k+8] = header[k]
}
sha512 := makeHasher(sha3.New512())
var sha512_out [64]byte
sha512(sha512_out[:],seed[:])
byteReverse(sha512_out[:])
var permute_in [32]uint64
for k := 0; k < 8; k++{
for x := 0; x < 8; x++{
var sft int= x * 8
val := (uint64(sha512_out[k*8+x]) << uint(sft))
permute_in[k] += val
}
}
for k := 1; k < 4; k++{
for x := 0; x < 8; x++ {
permute_in[k * 8 + x] = permute_in[x]
}
}
scramble(permute_in[:], plookup[:])
var dat_in [256]byte
for k := 0; k < 32; k++ {
val := permute_in[k]
for x := 0; x < 8; x++{
dat_in[k * 8 + x] = byte(val & 0xFF)
val = val >> 8
}
}
for k := 0; k < 64; k++ {
var temp byte
temp = dat_in[k * 4];
dat_in[k * 4] = dat_in[k * 4 + 3];
dat_in[k * 4 + 3] = temp;
temp = dat_in[k * 4 + 1];
dat_in[k * 4 + 1] = dat_in[k * 4 + 2];
dat_in[k * 4 + 2] = temp;
}
//用sha256生成隨機hash
sha256 := makeHasher(sha3.New256())
sha256(output, dat_in[:])
// reverse byte
for k := 0; k < DGSTSIZE; k++{
dgst[k] = output[k];
}
returndgst, dgst
}
裡面有眾多的移位操作、置換操作，其中用到了加密演算法sha256演算法，sha512演算法，然後通過makeHasher()函式生成隨機hash。
還有一個很關鍵的函式scramble(permute_in[:], plookup[:])
func scramble( permute_in []uint64, plookup []uint64) int{
var ptbl []uint64
var permute_out [32]uint64
for k := 0; k < 64; k++ {
sf := int(permute_in[0] & 0x7f)
bs := int(permute_in[31] >> 60)
ptbl = plookup[bs * 2048 * 32:]
MatMuliple(permute_in[:], permute_out[:], ptbl[:])
shift2048(permute_out[:], sf)
for k := 0; k < 32; k++ {
permute_in[k] = permute_out[k]
permute_out[k] = 0
}
}
return 0
}
由此我們可以看到，通過改變dataset集，打亂輸入hash運算的資料來實現hash演算法的改變。這個資料集極為複雜，那麼這個演算法集合全部寫死在計算單元內的概率將幾乎為0。由於演算法會 隨機切換 ，馮諾依曼瓶頸將無法繞過。
truehash的演算法切換原理的總結：每 12000個 PoW區塊（生成大概需要83天）換一次dataset資料集。新的dataset資料集資訊由上個週期的第 1 – 8192個區塊所組成，組成方式通過分析第 11001 - 11256個區塊的雜湊值所產生。由於區塊的hash值不可提前預知，在第 11256個區塊出現之前，新演算法的資訊更是無從得知。從上週期的第 11257個區塊，到該演算法作廢，總共只有 88天的時間，這麼短的時間內生產 ASIC沒有意義，從而抵制礦機的形成慾望。
四.水果鏈整合PoW，終結大礦主時代
在目前的礦機生態下，PoW慢鏈需要避免Selfish Mining Attack和Eclipse Attack等問題。初鏈TrueChain團隊大膽嘗試用fPoW協議（FruitChain）替代中本聰的原始PoW協議（Nakamoto PoW），從工程上實現了將水果鏈整合到PoW中，從而成為fPOW。
fPOW是全新的挖礦設計理念，它採用了水果鏈（FruitChain）的形象設計。它的亮點如下：
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低難度挖礦：水果的挖礦難度是正常區塊挖礦難度的1/600，每個水果記錄了若干交易信息，普通挖礦只需要驗證交易資訊即可，因而無需加入礦池，即可實現挖礦，避免了算力集中（形成礦池）。
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抵禦私自挖礦：只要水果是新鮮並且存在的，那麼便可獲得獎勵。
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挖水果獲得報酬：挖礦的礦工把挖到的水果接上Block後，會按照計算能力比例分配報酬。
水果鏈的實現，使得普通挖礦者可以更加公平地參與到挖礦過程中，並獲得更加公平地獎勵分配，這使初鏈成為名副其實的去中心化公鏈，終結了大礦主時代。
作者：weixin_39029194
原文：https://blog.csdn.net/weixin_39029194/article/details/83281012