src/kernel.cpp

   1 // Copyright (c) 2012-2013 The PPCoin developers
   2 // Distributed under the MIT/X11 software license, see the accompanying
   3 // file COPYING or http://www.opensource.org/licenses/mit-license.php.
   4
   5 #include <boost/assign/list_of.hpp>
   6
   7 #include "kernel.h"
   8 #include "db.h"
   9
  10 using namespace std;
  11
  12 extern int nStakeMaxAge;
  13 extern int nStakeTargetSpacing;
  14
  15 typedef std::map<int, unsigned int> MapModifierCheckpoints;
  16
  17 // Hard checkpoints of stake modifiers to ensure they are deterministic
  18 static std::map<int, unsigned int> mapStakeModifierCheckpoints =
  19     boost::assign::map_list_of
  20         ( 0, 0x0e00670bu )
  21         ( 68600, 0x73a8cc4cu )
  22     ;
  23
  24 // Hard checkpoints of stake modifiers to ensure they are deterministic (testNet)
  25 static std::map<int, unsigned int> mapStakeModifierCheckpointsTestNet =
  26     boost::assign::map_list_of
  27         ( 0, 0x0e00670bu )
  28     ;
  29
  30 // Get time weight
  31 int64 GetWeight(int64 nIntervalBeginning, int64 nIntervalEnd)
  32 {
  33     // Kernel hash weight starts from 0 at the 30-day min age
  34     // this change increases active coins participating the hash and helps
  35     // to secure the network when proof-of-stake difficulty is low
  36     //
  37     // Maximum TimeWeight is 90 days.
  38
  39     return min(nIntervalEnd - nIntervalBeginning - nStakeMinAge, (int64)nStakeMaxAge);
  40 }
  41
  42 // Get the last stake modifier and its generation time from a given block
  43 static bool GetLastStakeModifier(const CBlockIndex* pindex, uint64& nStakeModifier, int64& nModifierTime)
  44 {
  45     if (!pindex)
  46         return error("GetLastStakeModifier: null pindex");
  47     while (pindex && pindex->pprev && !pindex->GeneratedStakeModifier())
  48         pindex = pindex->pprev;
  49     if (!pindex->GeneratedStakeModifier())
  50         return error("GetLastStakeModifier: no generation at genesis block");
  51     nStakeModifier = pindex->nStakeModifier;
  52     nModifierTime = pindex->GetBlockTime();
  53     return true;
  54 }
  55
  56 // Get selection interval section (in seconds)
  57 static int64 GetStakeModifierSelectionIntervalSection(int nSection)
  58 {
  59     assert (nSection >= 0 && nSection < 64);
  60     return (nModifierInterval * 63 / (63 + ((63 - nSection) * (MODIFIER_INTERVAL_RATIO - 1))));
  61 }
  62
  63 // Get stake modifier selection interval (in seconds)
  64 static int64 GetStakeModifierSelectionInterval()
  65 {
  66     int64 nSelectionInterval = 0;
  67     for (int nSection=0; nSection<64; nSection++)
  68         nSelectionInterval += GetStakeModifierSelectionIntervalSection(nSection);
  69     return nSelectionInterval;
  70 }
  71
  72 // select a block from the candidate blocks in vSortedByTimestamp, excluding
  73 // already selected blocks in vSelectedBlocks, and with timestamp up to
  74 // nSelectionIntervalStop.
  75 static bool SelectBlockFromCandidates(vector<pair<int64, uint256> >& vSortedByTimestamp, map<uint256, const CBlockIndex*>& mapSelectedBlocks,
  76     int64 nSelectionIntervalStop, uint64 nStakeModifierPrev, const CBlockIndex** pindexSelected)
  77 {
  78     bool fSelected = false;
  79     uint256 hashBest = 0;
  80     *pindexSelected = (const CBlockIndex*) 0;
  81     BOOST_FOREACH(const PAIRTYPE(int64, uint256)& item, vSortedByTimestamp)
  82     {
  83         if (!mapBlockIndex.count(item.second))
  84             return error("SelectBlockFromCandidates: failed to find block index for candidate block %s", item.second.ToString().c_str());
  85         const CBlockIndex* pindex = mapBlockIndex[item.second];
  86         if (fSelected && pindex->GetBlockTime() > nSelectionIntervalStop)
  87             break;
  88         if (mapSelectedBlocks.count(pindex->GetBlockHash()) > 0)
  89             continue;
  90         // compute the selection hash by hashing its proof-hash and the
  91         // previous proof-of-stake modifier
  92         uint256 hashProof = pindex->IsProofOfStake()? pindex->hashProofOfStake : pindex->GetBlockHash();
  93         CDataStream ss(SER_GETHASH, 0);
  94         ss << hashProof << nStakeModifierPrev;
  95         uint256 hashSelection = Hash(ss.begin(), ss.end());
  96         // the selection hash is divided by 2**32 so that proof-of-stake block
  97         // is always favored over proof-of-work block. this is to preserve
  98         // the energy efficiency property
  99         if (pindex->IsProofOfStake())
 100             hashSelection >>= 32;
 101         if (fSelected && hashSelection < hashBest)
 102         {
 103             hashBest = hashSelection;
 104             *pindexSelected = (const CBlockIndex*) pindex;
 105         }
 106         else if (!fSelected)
 107         {
 108             fSelected = true;
 109             hashBest = hashSelection;
 110             *pindexSelected = (const CBlockIndex*) pindex;
 111         }
 112     }
 113     if (fDebug && GetBoolArg("-printstakemodifier"))
 114         printf("SelectBlockFromCandidates: selection hash=%s\n", hashBest.ToString().c_str());
 115     return fSelected;
 116 }
 117
 118 // Stake Modifier (hash modifier of proof-of-stake):
 119 // The purpose of stake modifier is to prevent a txout (coin) owner from
 120 // computing future proof-of-stake generated by this txout at the time
 121 // of transaction confirmation. To meet kernel protocol, the txout
 122 // must hash with a future stake modifier to generate the proof.
 123 // Stake modifier consists of bits each of which is contributed from a
 124 // selected block of a given block group in the past.
 125 // The selection of a block is based on a hash of the block's proof-hash and
 126 // the previous stake modifier.
 127 // Stake modifier is recomputed at a fixed time interval instead of every
 128 // block. This is to make it difficult for an attacker to gain control of
 129 // additional bits in the stake modifier, even after generating a chain of
 130 // blocks.
 131 bool ComputeNextStakeModifier(const CBlockIndex* pindexPrev, uint64& nStakeModifier, bool& fGeneratedStakeModifier)
 132 {
 133     nStakeModifier = 0;
 134     fGeneratedStakeModifier = false;
 135     if (!pindexPrev)
 136     {
 137         fGeneratedStakeModifier = true;
 138         return true;  // genesis block's modifier is 0
 139     }
 140     // First find current stake modifier and its generation block time
 141     // if it's not old enough, return the same stake modifier
 142     int64 nModifierTime = 0;
 143     if (!GetLastStakeModifier(pindexPrev, nStakeModifier, nModifierTime))
 144         return error("ComputeNextStakeModifier: unable to get last modifier");
 145     if (fDebug)
 146     {
 147         printf("ComputeNextStakeModifier: prev modifier=0x%016"PRI64x" time=%s\n", nStakeModifier, DateTimeStrFormat(nModifierTime).c_str());
 148     }
 149     if (nModifierTime / nModifierInterval >= pindexPrev->GetBlockTime() / nModifierInterval)
 150         return true;
 151
 152     // Sort candidate blocks by timestamp
 153     vector<pair<int64, uint256> > vSortedByTimestamp;
 154     vSortedByTimestamp.reserve(64 * nModifierInterval / nStakeTargetSpacing);
 155     int64 nSelectionInterval = GetStakeModifierSelectionInterval();
 156     int64 nSelectionIntervalStart = (pindexPrev->GetBlockTime() / nModifierInterval) * nModifierInterval - nSelectionInterval;
 157     const CBlockIndex* pindex = pindexPrev;
 158     while (pindex && pindex->GetBlockTime() >= nSelectionIntervalStart)
 159     {
 160         vSortedByTimestamp.push_back(make_pair(pindex->GetBlockTime(), pindex->GetBlockHash()));
 161         pindex = pindex->pprev;
 162     }
 163     int nHeightFirstCandidate = pindex ? (pindex->nHeight + 1) : 0;
 164     reverse(vSortedByTimestamp.begin(), vSortedByTimestamp.end());
 165     sort(vSortedByTimestamp.begin(), vSortedByTimestamp.end());
 166
 167     // Select 64 blocks from candidate blocks to generate stake modifier
 168     uint64 nStakeModifierNew = 0;
 169     int64 nSelectionIntervalStop = nSelectionIntervalStart;
 170     map<uint256, const CBlockIndex*> mapSelectedBlocks;
 171     for (int nRound=0; nRound<min(64, (int)vSortedByTimestamp.size()); nRound++)
 172     {
 173         // add an interval section to the current selection round
 174         nSelectionIntervalStop += GetStakeModifierSelectionIntervalSection(nRound);
 175         // select a block from the candidates of current round
 176         if (!SelectBlockFromCandidates(vSortedByTimestamp, mapSelectedBlocks, nSelectionIntervalStop, nStakeModifier, &pindex))
 177             return error("ComputeNextStakeModifier: unable to select block at round %d", nRound);
 178         // write the entropy bit of the selected block
 179         nStakeModifierNew |= (((uint64)pindex->GetStakeEntropyBit()) << nRound);
 180         // add the selected block from candidates to selected list
 181         mapSelectedBlocks.insert(make_pair(pindex->GetBlockHash(), pindex));
 182         if (fDebug && GetBoolArg("-printstakemodifier"))
 183             printf("ComputeNextStakeModifier: selected round %d stop=%s height=%d bit=%d\n", nRound, DateTimeStrFormat(nSelectionIntervalStop).c_str(), pindex->nHeight, pindex->GetStakeEntropyBit());
 184     }
 185
 186     // Print selection map for visualization of the selected blocks
 187     if (fDebug && GetBoolArg("-printstakemodifier"))
 188     {
 189         string strSelectionMap = "";
 190         // '-' indicates proof-of-work blocks not selected
 191         strSelectionMap.insert(0, pindexPrev->nHeight - nHeightFirstCandidate + 1, '-');
 192         pindex = pindexPrev;
 193         while (pindex && pindex->nHeight >= nHeightFirstCandidate)
 194         {
 195             // '=' indicates proof-of-stake blocks not selected
 196             if (pindex->IsProofOfStake())
 197                 strSelectionMap.replace(pindex->nHeight - nHeightFirstCandidate, 1, "=");
 198             pindex = pindex->pprev;
 199         }
 200         BOOST_FOREACH(const PAIRTYPE(uint256, const CBlockIndex*)& item, mapSelectedBlocks)
 201         {
 202             // 'S' indicates selected proof-of-stake blocks
 203             // 'W' indicates selected proof-of-work blocks
 204             strSelectionMap.replace(item.second->nHeight - nHeightFirstCandidate, 1, item.second->IsProofOfStake()? "S" : "W");
 205         }
 206         printf("ComputeNextStakeModifier: selection height [%d, %d] map %s\n", nHeightFirstCandidate, pindexPrev->nHeight, strSelectionMap.c_str());
 207     }
 208     if (fDebug)
 209     {
 210         printf("ComputeNextStakeModifier: new modifier=0x%016"PRI64x" time=%s\n", nStakeModifierNew, DateTimeStrFormat(pindexPrev->GetBlockTime()).c_str());
 211     }
 212
 213     nStakeModifier = nStakeModifierNew;
 214     fGeneratedStakeModifier = true;
 215     return true;
 216 }
 217
 218 // The stake modifier used to hash for a stake kernel is chosen as the stake
 219 // modifier about a selection interval later than the coin generating the kernel
 220 static bool GetKernelStakeModifier(uint256 hashBlockFrom, uint64& nStakeModifier, int& nStakeModifierHeight, int64& nStakeModifierTime, bool fPrintProofOfStake)
 221 {
 222     nStakeModifier = 0;
 223     if (!mapBlockIndex.count(hashBlockFrom))
 224         return error("GetKernelStakeModifier() : block not indexed");
 225     const CBlockIndex* pindexFrom = mapBlockIndex[hashBlockFrom];
 226     nStakeModifierHeight = pindexFrom->nHeight;
 227     nStakeModifierTime = pindexFrom->GetBlockTime();
 228     int64 nStakeModifierSelectionInterval = GetStakeModifierSelectionInterval();
 229     const CBlockIndex* pindex = pindexFrom;
 230     // loop to find the stake modifier later by a selection interval
 231     while (nStakeModifierTime < pindexFrom->GetBlockTime() + nStakeModifierSelectionInterval)
 232     {
 233         if (!pindex->pnext)
 234         {   // reached best block; may happen if node is behind on block chain
 235             if (fPrintProofOfStake || (pindex->GetBlockTime() + nStakeMinAge - nStakeModifierSelectionInterval > GetAdjustedTime()))
 236                 return error("GetKernelStakeModifier() : reached best block %s at height %d from block %s",
 237                     pindex->GetBlockHash().ToString().c_str(), pindex->nHeight, hashBlockFrom.ToString().c_str());
 238             else
 239                 return false;
 240         }
 241         pindex = pindex->pnext;
 242         if (pindex->GeneratedStakeModifier())
 243         {
 244             nStakeModifierHeight = pindex->nHeight;
 245             nStakeModifierTime = pindex->GetBlockTime();
 246         }
 247     }
 248     nStakeModifier = pindex->nStakeModifier;
 249     return true;
 250 }
 251
 252 // ppcoin kernel protocol
 253 // coinstake must meet hash target according to the protocol:
 254 // kernel (input 0) must meet the formula
 255 //     hash(nStakeModifier + txPrev.block.nTime + txPrev.offset + txPrev.nTime + txPrev.vout.n + nTime) < bnTarget * nCoinDayWeight
 256 // this ensures that the chance of getting a coinstake is proportional to the
 257 // amount of coin age one owns.
 258 // The reason this hash is chosen is the following:
 259 //   nStakeModifier: scrambles computation to make it very difficult to precompute
 260 //                  future proof-of-stake at the time of the coin's confirmation
 261 //   txPrev.block.nTime: prevent nodes from guessing a good timestamp to
 262 //                       generate transaction for future advantage
 263 //   txPrev.offset: offset of txPrev inside block, to reduce the chance of
 264 //                  nodes generating coinstake at the same time
 265 //   txPrev.nTime: reduce the chance of nodes generating coinstake at the same
 266 //                 time
 267 //   txPrev.vout.n: output number of txPrev, to reduce the chance of nodes
 268 //                  generating coinstake at the same time
 269 //   block/tx hash should not be used here as they can be generated in vast
 270 //   quantities so as to generate blocks faster, degrading the system back into
 271 //   a proof-of-work situation.
 272 //
 273 bool CheckStakeKernelHash(unsigned int nBits, const CBlock& blockFrom, unsigned int nTxPrevOffset, const CTransaction& txPrev, const COutPoint& prevout, unsigned int nTimeTx, uint256& hashProofOfStake, uint256& targetProofOfStake, bool fPrintProofOfStake)
 274 {
 275     if (nTimeTx < txPrev.nTime)  // Transaction timestamp violation
 276         return error("CheckStakeKernelHash() : nTime violation");
 277
 278     unsigned int nTimeBlockFrom = blockFrom.GetBlockTime();
 279     if (nTimeBlockFrom + nStakeMinAge > nTimeTx) // Min age requirement
 280         return error("CheckStakeKernelHash() : min age violation");
 281
 282     CBigNum bnTargetPerCoinDay;
 283     bnTargetPerCoinDay.SetCompact(nBits);
 284     int64 nValueIn = txPrev.vout[prevout.n].nValue;
 285
 286     uint256 hashBlockFrom = blockFrom.GetHash();
 287
 288     CBigNum bnCoinDayWeight = CBigNum(nValueIn) * GetWeight((int64)txPrev.nTime, (int64)nTimeTx) / COIN / (24 * 60 * 60);
 289     targetProofOfStake = (bnCoinDayWeight * bnTargetPerCoinDay).getuint256();
 290
 291     // Calculate hash
 292     CDataStream ss(SER_GETHASH, 0);
 293     uint64 nStakeModifier = 0;
 294     int nStakeModifierHeight = 0;
 295     int64 nStakeModifierTime = 0;
 296
 297     if (!GetKernelStakeModifier(hashBlockFrom, nStakeModifier, nStakeModifierHeight, nStakeModifierTime, fPrintProofOfStake))
 298         return false;
 299     ss << nStakeModifier;
 300
 301     ss << nTimeBlockFrom << nTxPrevOffset << txPrev.nTime << prevout.n << nTimeTx;
 302     hashProofOfStake = Hash(ss.begin(), ss.end());
 303
 304     if (fPrintProofOfStake)
 305     {
 306         printf("CheckStakeKernelHash() : using modifier 0x%016"PRI64x" at height=%d timestamp=%s for block from height=%d timestamp=%s\n",
 307             nStakeModifier, nStakeModifierHeight,
 308             DateTimeStrFormat(nStakeModifierTime).c_str(),
 309             mapBlockIndex[hashBlockFrom]->nHeight,
 310             DateTimeStrFormat(blockFrom.GetBlockTime()).c_str());
 311         printf("CheckStakeKernelHash() : check modifier=0x%016"PRI64x" nTimeBlockFrom=%u nTxPrevOffset=%u nTimeTxPrev=%u nPrevout=%u nTimeTx=%u hashProof=%s\n",
 312             nStakeModifier,
 313             nTimeBlockFrom, nTxPrevOffset, txPrev.nTime, prevout.n, nTimeTx,
 314             hashProofOfStake.ToString().c_str());
 315     }
 316
 317     // Now check if proof-of-stake hash meets target protocol
 318     if (CBigNum(hashProofOfStake) > bnCoinDayWeight * bnTargetPerCoinDay)
 319         return false;
 320     if (fDebug && !fPrintProofOfStake)
 321     {
 322         printf("CheckStakeKernelHash() : using modifier 0x%016"PRI64x" at height=%d timestamp=%s for block from height=%d timestamp=%s\n",
 323             nStakeModifier, nStakeModifierHeight,
 324             DateTimeStrFormat(nStakeModifierTime).c_str(),
 325             mapBlockIndex[hashBlockFrom]->nHeight,
 326             DateTimeStrFormat(blockFrom.GetBlockTime()).c_str());
 327         printf("CheckStakeKernelHash() : pass modifier=0x%016"PRI64x" nTimeBlockFrom=%u nTxPrevOffset=%u nTimeTxPrev=%u nPrevout=%u nTimeTx=%u hashProof=%s\n",
 328             nStakeModifier,
 329             nTimeBlockFrom, nTxPrevOffset, txPrev.nTime, prevout.n, nTimeTx,
 330             hashProofOfStake.ToString().c_str());
 331     }
 332     return true;
 333 }
 334
 335 // Check kernel hash target and coinstake signature
 336 bool CheckProofOfStake(const CTransaction& tx, unsigned int nBits, uint256& hashProofOfStake, uint256& targetProofOfStake)
 337 {
 338     if (!tx.IsCoinStake())
 339         return error("CheckProofOfStake() : called on non-coinstake %s", tx.GetHash().ToString().c_str());
 340
 341     // Kernel (input 0) must match the stake hash target per coin age (nBits)
 342     const CTxIn& txin = tx.vin[0];
 343
 344     unsigned nTxPos;
 345
 346     CTransaction txPrev;
 347     CCoins coins;
 348     CCoinsViewCache &view = *pcoinsTip;
 349
 350     if (!view.GetCoins(txin.prevout.hash, coins))
 351         return tx.DoS(1, error("CheckProofOfStake() : INFO: read coins for txPrev failed"));  // previous transaction not in main chain, may occur during initial download
 352
 353     CBlockIndex* pindex = FindBlockByHeight(coins.nHeight);
 354
 355     // Read block and scan it to find txPrev
 356     CBlock block;
 357     if (block.ReadFromDisk(pindex)) {
 358         nTxPos = GetSerializeSize(CBlock(), SER_DISK, CLIENT_VERSION) - (2 * GetSizeOfCompactSize(0)) + GetSizeOfCompactSize(block.vtx.size());
 359         BOOST_FOREACH(const CTransaction &tx, block.vtx) {
 360             if (tx.GetHash() == txin.prevout.hash) {
 361                 txPrev = tx;
 362                 break;
 363             }
 364             nTxPos += tx.GetSerializeSize(SER_DISK, CLIENT_VERSION);
 365         }
 366     }
 367     else
 368         return fDebug? error("CheckProofOfStake() : read block failed") : false; // unable to read block of previous transaction
 369
 370     // Verify signature
 371     if (!VerifySignature(coins, tx, 0, true, false, 0))
 372         return tx.DoS(100, error("CheckProofOfStake() : VerifySignature failed on coinstake %s", tx.GetHash().ToString().c_str()));
 373
 374     if (!CheckStakeKernelHash(nBits, block, nTxPos, txPrev, txin.prevout, tx.nTime, hashProofOfStake, targetProofOfStake, fDebug))
 375         return tx.DoS(1, error("CheckProofOfStake() : INFO: check kernel failed on coinstake %s, hashProof=%s", tx.GetHash().ToString().c_str(), hashProofOfStake.ToString().c_str())); // may occur during initial download or if behind on block chain sync
 376
 377     return true;
 378 }
 379
 380 // Check whether the coinstake timestamp meets protocol
 381 bool CheckCoinStakeTimestamp(int64 nTimeBlock, int64 nTimeTx)
 382 {
 383     // v0.3 protocol
 384     return (nTimeBlock == nTimeTx);
 385 }
 386
 387 // Get stake modifier checksum
 388 unsigned int GetStakeModifierChecksum(const CBlockIndex* pindex)
 389 {
 390     assert (pindex->pprev || pindex->GetBlockHash() == (!fTestNet ? hashGenesisBlock : hashGenesisBlockTestNet));
 391     // Hash previous checksum with flags, hashProofOfStake and nStakeModifier
 392     CDataStream ss(SER_GETHASH, 0);
 393     if (pindex->pprev)
 394         ss << pindex->pprev->nStakeModifierChecksum;
 395     ss << pindex->nFlags << pindex->hashProofOfStake << pindex->nStakeModifier;
 396     uint256 hashChecksum = Hash(ss.begin(), ss.end());
 397     hashChecksum >>= (256 - 32);
 398     return hashChecksum.Get64();
 399 }
 400
 401 // Check stake modifier hard checkpoints
 402 bool CheckStakeModifierCheckpoints(int nHeight, unsigned int nStakeModifierChecksum)
 403 {
 404     MapModifierCheckpoints& checkpoints = (fTestNet ? mapStakeModifierCheckpointsTestNet : mapStakeModifierCheckpoints);
 405
 406     if (checkpoints.count(nHeight))
 407         return nStakeModifierChecksum == checkpoints[nHeight];
 408     return true;
 409 }