CN110109926B - 一种Equihash算法数据的排序装置和排序方法 - Google Patents

一种Equihash算法数据的排序装置和排序方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Equihash算法数据的排序装置，包括：地址累加器，用于地址累加，输出排序数据的地址；数据存储器，根据地址累加器的输出存储排序数据；地址簿，其至少包含用于表示地址行是否有效的有效标志位、第一链尾EOP标志位，每行代表一个链表，每行存储链表的链头，以排序数据的特定比特作为地址簿的写地址，将写地址对应地址行的内容更新为地址累加器的输出；链表，链表至少包含用于表示链表行对应链是否是链尾的第二链尾EOP标志位，链表的行与数据存储器的行一一对应，用于存储上个排序数据在数据存储器的地址。还公开了一种Equihash算法数据的排序方法，以极大地提升Equihash算法数据排序效率。

Description

一种Equihash算法数据的排序装置和排序方法
技术领域
本发明属于数据计算领域，具体涉及一种Equihash算法数据的排序装置和排序方法。
背景技术
Equihash是由卢森堡大学的安全、可靠性和信任跨学科中心(SnT)开发的一种以内存为导向的工作证明算法，其理论依据是一个著名的计算法科学及密码学问题——广义生日悖论问题。Equihash是一种便携式算法，不限于特定的数字货币。目前采用Equihash为工作证明(POW)的虚拟货币有Zcash,Bitcoin Gold等。Equihash在所有挖掘算法中都是独一无二的：它一方面是记忆性的，另一方面很容易验证。广义生日悖论就是在N个n比特的数据样本X1..N中找到2k个碰撞的样本，Equihash算法由n、k两个参数确定，数据样本数目N＝2n/(k+1)+1，X1..N由区块头block header和nonce产生。
Zcash的block header包括4个字节的区块版本号nVersion，它指示遵从哪个区块验证规则；32字节的hashPrevBlock，它表示前一区块的区块头block header；32字节的hashMerkleRoot，本字段允许调整，通过对包含进区块的交易进行增删，或改变顺序，或者修改Coinbase交易的输入字段而产生变化；32字节的hashReserved，这是保留字段，被忽略；4个字节的nTime，基本取机器开始哈希header时候的Unix时间戳；4个字节的nBits，它由全网算力决定，每产生一个新块都调整一次难度；32个字节的nNonce，提供2^256种可能取值，通过改变nNonce来改变block header来最终产生一个小于或等于目标target的哈希。所以hashMerkleRoot和nNonce是发挥挖矿自由度的地方
一个有效的Equihash解应该满足下列条件：
A：广义生日悖论条件即2k个样本异或结果为0；
B：对于第r轮(0<r<k),2k个样本按字典顺序排列后每2r个样本数据异或后有rn/(k+1)个导0(leading zeros)。
为了找到有效的Equihash解，一般采用Wagner算法：在产生N个Xi后，对Xi进行排序，找到所有第一个n/(k+1)比特碰撞的Xi、Xj，然后保存他们之间的异或结果Xij；接着对所有Xij排序，找到下一个n/(k+1)碰撞的Xij、Xmn；重复上述过程共k-1轮，直到只有2n/(k+1)比特没有碰撞。最后一步，找到最后2n/(k+1)比特碰撞的结果X，即最终Equihash的解。
为了找到所有的某n/(k+1)比特碰撞的Xi、Xj，目前软件算法基本都需要排序，然后分析判断样本之间是否n/(k+1)比特碰撞。样本数量为N，对数据进行严格排序时间N(N-1)/2；当样本的数量N变大的时候，如n＝200,k＝9的Equihash算法中的样本数量为2M个，排序的工作量就非常巨大，而且需要就行k轮排序。怎么快速的排序成为高效的得到Equihash算法解的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种Equihash算法数据的排序装置和排序方法，以极大地减少Equihash算法数据排序时间，提升Equihash算法数据排序效率。
为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种Equihash算法数据的排序装置，包括：
地址累加器，用于地址累加，输出排序数据的地址；
数据存储器，用于根据地址累加器的输出存储排序数据；
地址簿，其至少包含用于表示地址行是否有效的有效标志位、第一链尾EOP标志位，每行代表一个链表，每行存储链表的链头，以排序数据的特定比特作为地址簿的写地址，将写地址对应地址行的内容更新为地址累加器的输出；
链表，链表至少包含用于表示链表行对应链是否是链尾的第二链尾EOP标志位，链表的行与数据存储器的行一一对应，链表行的数据内容表示链中上个排序数据在数据存储器的地址。
本发明排序装置中，利用一块(或多块组合成)深度为2n/(k+1)的MEMORY作为地址薄，记录流水进来的每个排序数据X1..N当前的地址；利用一块深度和排序数据数量N一样的MEMOEY作为链表，把所有特定n/(k+1)比特相同即碰撞的排序数据Xi地址链接起来，创建链表；当所有排序数据Xi进来完毕，链表也建立完毕。链表里的每两个元素，都是n/(k+1)比特位碰撞的。通过对每个链表里的数据进行异或，就找到所有特定n/(k+1)比特碰撞的Xi、Xj，不需要对数据进行专门的排序，极大的提高了查找效率。
针对地址累加器，每当Equihash算法中的一个数据输入，地址自动加1；当全部排序数据写完之后，地址累加器归位，输出的地址设置为0。
优选地，针对地址簿：
当有排序数据写入时，若排序数据的特定比特对应行的有效标志位为0，则有效标志位和第一链尾EOP标志位都置1，同时将地址薄中排序数据的特定比特对应行的内容更新为地址累加器的输出；
若排序数据的特定比特对应行的有效标志位为1，则第一链尾EOP标志位置0，同时将地址薄中排序数据的特定比特对应行的内容更新为地址累加器的输出；
在读取排序数据时，当所有需要的排序数据读取完毕后，将地址薄所有行的有效标志位清0。
优选地，针对链表：
当有排序数据写入时，若排序数据的特定比特对应行的地址薄有效标志位和第一链尾EOP标志位都为1，则把地址薄更新时的原地址数据保存到目前地址累加器的输出指示的链表行处，且该链表行的尾部EOP标志位置为1；
若排序数据的特定比特对应行的地址薄有效标志位为1、第一链尾EOP标志位为0，则把地址薄更新时的原地址数据保存到目前地址累加器的输出指示的链表行处，且该链表行的尾部EOP标志位置为0。
一种Equihash算法数据的排序方法，应用上述的Equihash算法数据的排序装置，所述排序方法包括以下步骤：
(1)排序数据输入时，以地址累加器的输出为地址，将排序数据存储在数据存储器中；
(2)以排序数据的特定比特作为地址簿的写地址，根据写地址的有效标志位决定第一链尾EOP标志位为0还是1，同时将写地址对应行的内容更新为地址累加器的输出；
(3)根据写地址对应地址薄的有效标志位和第一链尾EOP标志位，将地址累加器的输出指示的链表行处更新为地址薄的原地址数据；
(4)读取排序数据时，从地址薄的“0”地址开始读取链表，当地址簿中的有效标志位为1，第一链尾EOP标志位为0，则对应行表示的链表至少包含两个排序数据，通过读取该链表，获得该链的所有排序数据，这样即找到特定比特碰撞的所有排序数据。
其中，步骤(2)包括：
当有排序数据写入时，若排序数据的特定比特对应行的有效标志位为0，则有效标志位和第一链尾EOP标志位都置1，同时将地址薄中排序数据的特定比特对应行的内容更新为地址累加器的输出；
若排序数据的特定比特对应行的有效标志位为1，则有效标志位保持1，第一链尾EOP标志位置0，同时将地址薄中排序数据的特定比特对应行的内容更新为地址累加器的输出；
读取排序数据时，当所有排序数据读取完毕后，将地址薄所有行的有效标志位清0。
其中，步骤(3)包括：
当有排序数据写入时，若排序数据的特定比特对应行的地址薄有效标志位和第一链尾EOP标志位都为1，则把地址薄更新时的原地址数据保存到目前地址累加器的输出指示的链表行处，且该链表行的尾部EOP标志位置为1；
若排序数据的特定比特对应行的地址薄有效标志位为1、第一链尾EOP标志位为0，则把地址薄更新时的原地址数据保存到目前地址累加器的输出指示的链表行处，且该链表行的尾部EOP标志位置为0。
在读取排序数据时，当地址簿中的有效标志位为0，或第一链尾EOP标志位为1，表示对应行表示的链表不包含数据或只包含一个数据，则视该链表无效。
在读取链表时，如果读到第二链尾EOP标志位，则提前判断地址薄中下个读取的链表的有效标志位和第一链尾EOP标志位，如果下个链表无效，则跳过该链头，节约了读取无效链的时间。
在另外一个实施方式中，利用两个所述的排序装置，所述排序方法包括：
利用第一个排序装置读取数据时，读取的排序数据进行异或后的结果写入到第二个排序装置中；这样，当第一个排序装置完成读操作也就意味着第二个排序装置完成了下一轮特定相同n/(k+1)比特链表建立的写操作；
利用第二个排序装置读取数据时，读取的排序数据进行异或后的结果写入到第一个排序装置中，这样就实现链表建立的流水操作，进一步提高了效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是Equihash算法数据的排序装置的结构示意图；
图2是数据链第一个数据的排序操作示意图；
图3是数据链第二个数据的排序操作示意图；
图4是数据链第三个数据的排序操作示意图；
图5是两个Equihash算法数据的排序装置的数据流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供的Equihash算法数据的排序装置包括：
地址累加器，用于地址累加，输出排序数据的地址；
数据存储器，用于根据地址累加器的输出存储排序数据；
地址簿，其至少包含用于表示地址行是否有效的有效标志位、第一链尾EOP标志位，每行代表一个链表，每行存储链表的链头，以排序数据的特定比特作为地址簿的写地址，将写地址对应地址行的内容更新为地址累加器的输出；
链表，链表至少包含用于表示链表行对应链是否是链尾的第二链尾EOP标志位，链表的行与数据存储器的行一一对应，用于存储上个排序数据在数据存储器的地址。
Equihash算法数据一边产生，一边依次存入数据存储器，写地址有地址累加器控制依次加1。Equihash算法的第一轮n/(k+1)比特作为地址，去访问地址薄，如果地址薄该地址的有效vld标志位为0，则把有效vld标志位置1，地址薄的链尾EOP标志位也置1，把地址累加器的地址值写入地址薄，这个时候链表不需要操作，如图2。
如果地址薄的该地址的有效vld标志位为1，链尾EOP标志位为1，则把地址薄的链尾EOP标志位清0，把地址累加器的地址值写入地址薄，把地址薄的该地址原数据写入链表之中，同时把链表里的该行EOP标志位置1，如图3。
如果地址薄的该地址的有效vld标志位为1，链尾EOP标志位为0，把地址累加器的地址值写入地址薄，把地址薄的该地址原数据写入链表之中，同时把链表里的该行EOP标志位置0，如图4，从地址薄地址0x00003内容指向链表地址0x1FFFFE，链表地址0x1FFFFE内容指向链表地址0x000005，链表地址0x000005内容里由链尾EOP标志位表示该链最后一个数据，这样就把特定n/(k+1)比特＝0x00003的所有的数据都找到。
通过从地址薄读取该链表，该地址的有效标志位1，链尾标志为0，说明该链至少有两个数据元素，通过读取链表，得到该链所有数据存储器的存储地址，这样得到了该链的所有数据，也就找到了该特定n/(k+1)比特碰撞的所有数据。
如图5，利用两个相同的排序装置，在前面排序装置进行读取的数据，经异或后的结果即可写入后面排序装置，前面排序装置完成读操作也意味着后面排序装置完成下一轮特定n/(k+1)比特链表建立的写操作；接着后面排序装置开始读操作，同样在异或后把数据写回前面排序装置。这就完成了equihash算法的一个round操作。这样实现了排序装置乒乓读写读写操作，数据存储器(单端口SRAM)几乎全部时间在读或者写操作，进一步提高了效率。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种Equihash算法数据的排序装置，其特征在于，包括：
地址累加器，用于地址累加，输出排序数据的地址；
数据存储器，用于根据地址累加器的输出存储排序数据；
地址簿，其至少包含用于表示地址行是否有效的有效标志位、第一链尾EOP标志位，每行代表一个链表，每行存储链表的链头，以排序数据的特定比特作为地址簿的写地址，将写地址对应地址行的内容更新为地址累加器的输出；
链表，链表至少包含用于表示链表行对应链是否是链尾的第二链尾EOP标志位，链表的行与数据存储器的行一一对应，链表行的数据内容表示链中上个排序数据在数据存储器的地址。
2.如权利要求1所述的Equihash算法数据的排序装置，其特征在于，针对地址簿：
当有排序数据写入时，若排序数据的特定比特对应行的有效标志位为0，则有效标志位和第一链尾EOP标志位都置1，同时将地址簿中排序数据的特定比特对应行的内容更新为地址累加器的输出；
若排序数据的特定比特对应行的有效标志位为1，则第一链尾EOP标志位置0，同时将地址簿中排序数据的特定比特对应行的内容更新为地址累加器的输出；
在读取排序数据时，当所有需要的排序数据读取完毕后，将地址簿所有行的有效标志位清0。
3.如权利要求1所述的Equihash算法数据的排序装置，其特征在于，针对链表：
当有排序数据写入时，若排序数据的特定比特对应行的地址簿有效标志位和第一链尾EOP标志位都为1，则把地址簿更新时的原地址数据保存到目前地址累加器的输出指示的链表行处，且该链表行的尾部EOP标志位置为1；
若排序数据的特定比特对应行的地址簿有效标志位为1、第一链尾EOP标志位为0，则把地址簿更新时的原地址数据保存到目前地址累加器的输出指示的链表行处，且该链表行的尾部EOP标志位置为0。
4.一种Equihash算法数据的排序方法，其特征在于，应用如权利要求1～3任一项所述的Equihash算法数据的排序装置，所述排序方法包括以下步骤：
(1)排序数据输入时，以地址累加器的输出为地址，将排序数据存储在数据存储器中；
(2)以排序数据的特定比特作为地址簿的写地址，根据写地址的有效标志位决定第一链尾EOP标志位为0还是1，同时将写地址对应行的内容更新为地址累加器的输出；
(3)根据写地址对应地址簿的有效标志位和第一链尾EOP标志位，将地址累加器的输出指示的链表行处更新为地址簿的原地址数据；
(4)读取排序数据时，从地址簿的“0”地址开始读取链表，当地址簿中的有效标志位为1，第一链尾EOP标志位为0，则对应行表示的链表至少包含两个排序数据，通过读取该链表，获得该链的所有排序数据，这样即找到特定比特碰撞的所有排序数据。
5.如权利要求4所述的Equihash算法数据的排序方法，其特征在于，步骤(2)包括：
当有排序数据写入时，若排序数据的特定比特对应行的有效标志位为0，则有效标志位和第一链尾EOP标志位都置1，同时将地址簿中排序数据的特定比特对应行的内容更新为地址累加器的输出；
若排序数据的特定比特对应行的有效标志位为1，则有效标志位保持1，第一链尾EOP标志位置0，同时将地址簿中排序数据的特定比特对应行的内容更新为地址累加器的输出；
读取排序数据时，当所有排序数据读取完毕后，将地址簿所有行的有效标志位清0。
6.如权利要求4所述的Equihash算法数据的排序方法，其特征在于，步骤(3)包括：
当有排序数据写入时，若排序数据的特定比特对应行的地址簿有效标志位和第一链尾EOP标志位都为1，则把地址簿更新时的原地址数据保存到目前地址累加器的输出指示的链表行处，且该链表行的尾部EOP标志位置为1；
若排序数据的特定比特对应行的地址簿有效标志位为1、第一链尾EOP标志位为0，则把地址簿更新时的原地址数据保存到目前地址累加器的输出指示的链表行处，且该链表行的尾部EOP标志位置为0。
7.如权利要求4所述的Equihash算法数据的排序方法，其特征在于，在读取排序数据时，当地址簿中的有效标志位为0，或第一链尾EOP标志位为1，表示对应行表示的链表不包含数据或只包含一个数据，则视该链表无效。
8.如权利要求4所述的Equihash算法数据的排序方法，其特征在于，在读取链表时，如果读到第二链尾EOP标志位，则提前判断地址簿中下个读取的链表的有效标志位和第一链尾EOP标志位，如果下个链表无效，则跳过该链头，节约了读取无效链的时间。
9.如权利要求4所述的Equihash算法数据的排序方法，其特征在于，利用两个所述的排序装置，所述排序方法包括：
利用第一个排序装置读取数据时，读取的排序数据进行异或后的结果写入到第二个排序装置中；
利用第二个排序装置读取数据时，读取的排序数据进行异或后的结果写入到第一个排序装置中。
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