区块链协议MimbleWimble介绍

MimbleWimble是一种区块链协议，依靠强大的加密原语提供极佳的可扩展性，隐私性和可替代性。MimbleWimble协议的项目主要目标和特点——隐私，这使得从交易的公开信息无法追踪交易金额、发送方和接收方；采用Utxo删减和最小化交易数量（《100字节内核），与其他区块链相比节省大量空间；强大且经过验证的密码学， MimbleWimble只依赖于椭圆曲线密码学，它已历经数十年的尝试和测试。近期出现以社区技术驱动的项目Grin使用新的PoW的Cuckoo Cycle算法鼓励挖矿。

PoW共识最早由比特币采用，也是区块链最早使用的一种共识方法。目前为止PoW是容错能力最好的公有链共识机制。公有链的安全基石是共识机制，PoW以物理算力为基础，当链的算力达到一定规模后，像比特币，由于必须拥有全网一半以上的算力（51%攻击），这使得攻击非常昂贵，在算力比较去中心化的时候，很难发生算力攻击。

所以算法选型倾向于算力的分散化（抗并行挖矿算法）。这是通过使主存储器延迟成为瓶颈来实现的，因为DRAM延迟保持相对稳定，而CPU速度和存储器带宽在硬件架构和处理技术之间变化很大。

常见的POW算法类型

· 纯hash类型的算法：随机碰撞、计算困难

· Equihash类算法：广义生日悖论问题、memory-hard

· ethhash：基于DAG解决约束、memory-hard

· Cuckoo Cycle：图论式工作模式证明、memory-hard

而在此之上延伸出PoW的Cuckoo Cycle算法，该算法是一种更平等的共识方式，可以最大限度地降低硬件架构中的性能差异，并使硬件的开采具有成本效益。

Cuckoo Cycle是一种新颖的图论理论算法设计，它结合了可扩展的内存需求和即时可验证性。此外，它也是第一个设计运行时内存延迟主导。除非出现任何无法预料的内存时间权衡，否则它会产生近乎理想的内存限制工作证明，其商品硬件的成本效益可以极大地有利于矿业的分散化。

Cuckoo Cycle的一个有趣特性是制造ASIC并不符合成本效益。尽管如此，ASIC几乎无法避免，因此在某些时候，用于Cuckoo循环的ASIC将变得可用。然而，即使发生这种情况，硬件制造商也无法在普通用户上创建ASIC。

本文主要介绍 Grin 采用的 PoW 共识算法 —— Cuckoo Cycle。

Grin的PoW算法：Cuckoo Cycle

Grin的基本Proof-of-Work算法称为Cuckoo Cycle，2014年由John Tromp 发明。它主要是一种内存约束算法，意味着解决方案时间受内存带宽而非原始处理器或GPU速度的约束。 因此，Cuckoo Cycle的解决方案应该在大多数商品硬件上都是可行的。 Grin 引入了两种POW算法。主要算法是被设计为 ASIC 友好的，而次要算法是抗 ASIC 的。在最初发布时，Grin 挖矿从最初抗ASIC 逐渐过渡到对ASIC友好。

网络启动时90% 的区块将会被次要算法挖出，而主要算法只会挖出大约 10% 的区块。主要算法称为Cuckatoo31+，次要算法Cuckaroo29 ，Cuckaroo29抗ASIC是通过每6个月改变一次算法来实现的。

Cuckoo Cycle问题

Cuckoo Cycle问题是指从Cuckoo图中找到一个L长度的环。Cuckoo图是一个二分图， 其中边（即连接节点的线）仅在2个单独的节点组之间连接的图。由N个节点和M个边组成， 节点采用Cuckoo散列表表示。

图的一侧是用奇数索引编号的数组（最大为图的大小），另一侧用偶数索引编号。下面的简单图表就是这样一个图形，偶数侧（顶部）有4个节点，奇数侧（底部）有4个节点，4条边。

Cuckoo Cycle的存在概率

要保证POW的工作量证明的安全性和公平性，意味着需要所有参与方无法通过某种方法来提高解决问题的概率。Cuckoo Cycle存在的概率，和图的节点多少，边的多少有关，随着M、N的增加，图中寻找到L大小的环路概率 会趋于稳定。

下图是L=42时，随着M/N的比例变化，所能找到的环的概率。可以看到M=29 、31， N=2M，M/N = 50%，此时寻找到L=42的环的概率在1/42。

Cuckoo 图的Edge修剪和环路检测

通过计算节点的自由度，反复修剪小于2的边（永远不会成为循环的一部分），可以大幅度减少环路寻找算法所需的边数 。比如下图，先是可以把（2，15） （11，12） 的边剪掉，此时（10，11） （4，15） 又出现可以剪掉的条件，最后剩下右边的修剪完成对图，实现其边数减少了40%。

环路的检测是从第一条边开始，依次加入其他边，在没有环的时候会形成树结构；对新加入的边，根据深度选择一颗树，通过回溯根节点判断是否形成环路。对所有点边执行一次可以找到所有边相关的环路，并和目标参数比较，如果有相等长度的环路，即解决问题成功。

Grin的PoW运行流程

当处理完一个块后，可以得到其区块头，对区块头的哈希结合Cuckoo算法，寻找图中的环，并对找到的结果进行哈希和目标难度比较，当小于目标时，PoW工作量完成。其流程如下：

1. 对新块头进行哈希处理以创建哈希值K

2. 哈希值K将用作SIPHASH函数的KEY，该函数将为图中的每个元素生成位置对

3. 通过剪边，执行Cuckoo循环检测算法试图在生成的图中找到解（即长度为42的循环）

4. 对找到的环进行Blake2b哈希并将其与当前目标难度进行比较

5. 如果哈希难度大于或等于目标难度，则将块广播到网络，并在下一个块开始工作

6. 如果没有找到解决方案，则将区块头中的Nounce增加1，并更新时间戳，以便下一次哈希值迭代