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Zcash技术分析：zcash币挖矿教程，Zcash算法等介绍

2016-10-26 龙少来源：龙少

　　Zcash挖矿系列文章：http://www.blockvalue.com/p/59423.html

　　Zcash是bitcoin的分支，保留了bitcoin原有的模式，基于比特币0.11.2版代码修改的。Zcash钱包资金分2种：透明资金、私有资金，透明资金类似比特币资金;私有资金加强了隐私性，涉及到私有资金的交易是保密不可查的，透明资金与透明资金的交易是公开可查的。

　　Zcash被称为零币，与‘灵’同音，不好听，且有归零的感觉，统一称为Z币。Zcash主链的币叫ZEC，等同于BTC，测试链的币称为TAZ。

　　目前zcash仅支持linux系统(推荐ubuntu)，不支持Windows、MAC，且只支持命令行，没有图形界面(zcash团队没人擅长GUI)。

　　地址

　　Zcash中含有2种地址，实现bitcoin和zcash的兼容。

　　1、透明资金地址taddr

　　类bitcoin地址，保存在UTXOs中，长度为34位。

　　命令./src/zcash-cli getnewaddress可以生成新的taddr地址。

　　例如：msFgKsVAia4aFB1qFGX7iJ3XjMZv6c26Ab

　　2、私有资金地址zaddr

　　保存在notes对象中，长度为96位，前2位为标记，主链地址前2位是”zc”，spendingkey的前2位是”SK”，测试链的地址前2位是”tn”。

　　notes对象是加密的，解密才能查看，用的是chacha20-poly1305算法。

　　命令./src/zcash-cli z_getnewaddress可以生成新的zaddr地址。

　　例如：tngBSug9xvpqudziMc3QbfReHG6BeufHDbv4vEZDmnYqSpRbqu5USZqBTXENQGdUbYMkxqHbb9j3RmE r7Lza8q7hbTQxZnM

　　具体生成过程看z_getnewaddress函数。

　　命令z_listaddresses获取节点钱包中的zaddr列表。

　　命令./src/zcash-cli zcrawkeygen可以查看地址、key等。

　　地址taddr实现了原有的bitcoin的功能，zaddr实现了zcash的功能。

　　taddr可以发送交易给taddr、zaddr，zaddr可以发送交易给taddr、zaddr。taddr与taddr的交易是透明可查的，涉及到zddr的交易就保密了。

　　零知识证明

　　零知识证明是在不泄漏信息的情况下，生成证明，验证者通过验证证明确定是否正确。

　　Zcash使用了SCIPR实验室的零知识证明库libsnark，在此基础上做了修改。Zcash团队成员包含多个libsnark开发人员(不是全部)。修改如下：

　　1、 libsnark支持4种语言："R1CS"、"BACS"、"USCS"、"TBCS"，zcash使用了"R1CS"。

　　2、 libsnark支持3种椭圆曲线："edwards"、"bn128"、"alt_bn128"，zcash使用了"alt_bn128"。

　　3、 libsnark支持2个库：gadgetlib1、gadgetlib2，zcash使用了gadgetlib1，gadgetlib1是底层库，支持所有的R1CS预处理特征。

　　SCIPR实验室的libsnark：https://github.com/scipr-lab/libsnark。

　　Zcash修改后的libsnark：https://github.com/zcash/libsnark。

　　当zcash交易涉及到私有资金时，使用零知识证明生成证明(函数r1cs_ppzksnark_prover)，保存到类JSDescription的proof中，校验交易时校验证明(函数r1cs_ppzksnark_verifier_strong_IC)。

　　libsnark看了看，知道怎么用的，但详细的也没看懂。

　　零知识证明白皮书：https://eprint.iacr.org/2013/507.pdf

　　交易

　　透明资金发送到透明资金地址，可以调用bitcoin的RPC命令发送交易，涉及到私有资金、地址，只能用zcash的RPC命令了，目前是z_sendmany命令。

　　格式：

　　z_sendmany "fromaddress" [{"address":... ,"amount":...},...]

　　交易分3种情况：

　　1、透明资金发送到透明地址

　　延用bitcoin的交易方式，仅仅打签名即可。

　　2、透明资金发送到透明地址、私有地址

　　透明资金发送到透明地址，依然延用bitcoin的方式，发送到私有地址的需要构造证明，对整个交易签名发送。

　　3、私有资金发送到透明地址、私有地址

　　每笔交易需要生成证明，涉及到找零、矿工费的处理，最后再签名发送。

　　交易中的透明地址、私有地址的输入、输出是不同的结构，涉及到私有地址的采用了新增的结构(JSInput、JSOutput)，涉及到的私有地址的数据需要先签名解密解析数据。

　　详细过程参考函数z_sendmany：

　　https://github.com/zcash/zcash/blob/master/src/wallet/asyncrpcoperation_sendmany.cpp#L126

　　生成证明参考函数perform_joinsplit：

　　https://github.com/zcash/zcash/blob/master/src/wallet/asyncrpcoperation_sendmany.cpp#L804

　　交易签名

　　Zcash私有资金交易时，不仅仅依靠零知识证明，而且对交易打签名，采用了ed25519算法。

　　zcash交易的零知识证明、签名需要的公钥、密钥使用ed25519算法生成的，详细参考函数crypto_sign_keypair。

　　签名参考函数sign_send_raw_transaction。

　　https://github.com/zcash/zcash/blob/master/src/wallet/asyncrpcoperation_sendmany.cpp#L660

　　挖矿算法

　　Zcash的挖矿算法是EquiHash，理论依据是广义生日悖论，目前有2个实现：BasicSolve、OptimisedSolve，BasicSolve主要用于测试用例，现在用的OptimisedSolve是优化后的，但依然存在优化空间。

　　EquiHash算法需要高内存，最优算法每个挖矿线程需要1G内存，短时间内很难出现低成本的矿机。

　　Zcash使用EquiHash计算解决方案，保存到区块头的nSolution，接收区块时校验。

　　BasicSolve实现：

　　https://github.com/zcash/zcash/blob/master/src/crypto/equihash.cpp#L323

　　OptimisedSolve实现：

　　https://github.com/zcash/zcash/blob/master/src/crypto/equihash.cpp#L494

　　块奖励

　　zcash总量是2100万个币，每隔2.5分钟出一个块，每天576个块。

　　区块奖励分2个阶段：

　　1、慢慢开始挖矿阶段

　　为了照顾在开始阶段不懂挖矿的，zcash采用了慢慢开始挖矿机制，前20000个块的奖励比较少，线程递增到12.5个币。

　　慢慢开始挖矿阶段也分2个阶段：

　　(1) 前10000个块，

　　块1的奖励是0.000625币，随着高度线性递增，增加幅度是0.000625币，块9999的奖励是6.249375币。

　　(2) 块10000～19999

　　块10000的奖励是6.250625，随着高度线性递增，增加幅度是0.000625币，块19999的奖励是12.5币。

　　前20000个块的奖励总量是125000币，相当于10000个块奖励是12.5个币的总量。产生10000个块需要的时间大约是17.3天，缓慢挖矿的时间周期(20000个块)大约是34.7天。

　　2、正常块奖励

　　从块20000开始，奖励是12.5个币，奖励按照每840000个块(每4年)减半，计算块奖励时块高度减少10000，即940000块是第一次减半，每隔840000个块减半，以此类推。

　　不懂挖矿的矿工也不必着急，因为即使懂了，前20000个块的奖励很少，有1个月的时间搞定挖矿。

　　创始人奖励

　　前4年(区块0～840000)产生的区块奖励的20%归zcash公司(总量的10%)，80%归矿工。4年后的区块奖励全部归矿工。

　　创建区块时，构造2个输出，分别给矿工、创始人，当广播区块后，其他节点接受区块时，检验区块有效性，当高度小于840000时，检验是否有对创始人的20%的输出。

　　创始人奖励地址采用2/3多重签名FOUNDERS_REWARD_SCRIPT。

　　难度调整

　　每产生一个区块都需要重新计算难度，难度计算基于前17个块(42.5分钟)，前17个区块的难度是固定的(powLimit)，从第18个区块开始调整难度，最大值是powLimit。

　　详细计算过程参考GetNextWorkRequired函数。

　　Bitcoin是每隔2016个块调整难度，关于zcash的每个块都要重新调整难度，有个讨论，参考：https://github.com/zcash/zcash/issues/147

　　CoinBase保护

　　矿工挖矿的奖励不能直接发送给透明资金地址，只能发送给私有资金地址，然后才可以发送给透明资金地址。

　　币成熟期是100。

　　创建新块

　　Zcash每个挖矿线程都有自己的地址、计数器，每个线程挖出来的新块的块奖励的地址是不同的，做矿池的需要注意，改成一个地址。

　　参考函数BitcoinMiner(https://github.com/zcash/zcash/blob/master/src/miner.cpp#L442）。

　　区块大小是2M。

　　挖矿工具

　　Zcash目前仅支持CPU挖矿，GPU的挖矿工具在研发中，尚未有人公开。

　　zcash支持2种挖矿方式：solo、矿池。

　　1、 Solo挖矿

　　在zcash.conf设置gen=1，启动zcashd即可挖矿。

　　2、矿池

　　Zcash开发者str4d做了个矿池和挖矿工具，矿池地址：http://zmine.io/，挖矿工具地址：https://github.com/str4d/zcash/tree/standalone-miner。

　　zcash-miner是zcash的分支，主要添加了stratum协议、cpu挖矿。

　　(1) stratum协议

　　采用了cpp-ethereum的stratum的实现，V2版，做了些修改，移除了eth协议中的命令。

　　参考commit：https://github.com/str4d/zcash/commit/c5ea2cfb190944dfa23566561d1cb37dcb116833

　　(2) cpu挖矿

　　把equihash算法做了些修改，接受矿池下发的难度来计算。

　　参考文件standaloneminer.cpp。

　　https://github.com/str4d/zcash/blob/standalone-miner/src/standaloneminer.cpp

　　参数文件

　　Zcash有2个参数文件，包含了证明、验证key，分别是：z9-proving.key、z9-verifying.key，在~/.zcash-params目录下。z9-proving.key大概900M，z9-verifying.key大约14K。使用./zcutil/fetch-params.sh可以下载这2个文件。

　　程序启动初始化时(AppInit2)，读取这2个文件中的证明、验证key，生成证明时需要证明key，验证证明时需要验证key。

　　API和RPC

　　Zcash保留了bitcoin的API、RPC，涉及到透明资金、地址的可以使用bitcoin的接口，涉及到私有资金、地址的只能用zcash新增的接口。

　　Zcash新增的接口包括查询余额、生成地址、发送交易等，如下：

　　• Accounting: z_getbalance, z_gettotalbalance

　　• Addresses : z_getnewaddress, z_listaddresses

　　• Keys : z_exportkey, z_importkey, z_exportwallet, z_importwallet

　　• Operation: z_getoperationresult, z_getoperationstatus, z_listoperationids

　　• Payment : z_listreceivedbyaddress, z_sendmany

　　详细信息参考文档https://github.com/zcash/zcash/blob/master/doc/payment-api.md。

　　挖矿硬件

　　EquiHash白皮书讲了2点：