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区块链共识机制及其迭代 | 区块链技术

共识,Consensus,故名思义,共同的认识,共识问题研究的就是多个成员如何达成一致,典型的比如投票选举。

区块链是一种去中心化的分布式账本系统,区块链的共识问题实际上来源于分布式系统的一致性问题。

分布式一致性问题

区块链是一种去中心化的分布式账本系统,由于点对点网络下存在较高的网络延迟,
各个节点所观察到的交易事务先后顺序不可能完全一致。 因此区块链系统需要设计一种机制对在一定的时间内发生的事务的先后顺序进行共识。这种对一个时间窗口内的事务的先后顺序达成共识的算法被称为“共识机制”。

共识机制在区块链中扮演着核心的地位,共识机制决定了谁有记账的权利,以及记账权利的选择过程和理由。不用的虚拟货币采用共识机制不同,常见的共识机制如POW,POS,DPOS,拜占庭容错等。

比特币区块链采用了 Proof of Work(PoW)的机制来实现共识,该机制于 1998 年在 B-money 设计中提出。目前,Proof of 系列中比较出名的一致性协议包括 PoW 和 PoS,都是通过经济惩罚来限制恶意参与。

POW 工作量证明

工作量证明,Proof of Work,通过计算来猜测一个数值(nonce),得以解决规定的 hash 问题(来源于 hashcash)。保证在一段时间内,系统中只能出现少数合法提案。

在比特币的区块结构中,nonce数值被保存在区块头中。

同时,这些少量的合法提案会在网络中进行广播,收到的用户进行验证后会基于它认为的最长链上继续难题的计算。因此,系统中可能出现链的分叉(Fork),但最终会有一条链成为最长的链。

hash 问题具有不可逆的特点,因此,目前除了暴力计算外,还没有有效的算法进行解决。反之,如果获得符合要求的 nonce,则说明在概率上是付出了对应的算力。谁的算力多,谁最先解决问题的概率就越大。当掌握超过全网一半算力时,从概率上就能控制网络中链的走向。这也是所谓 51% 攻击 的由来。

参与 PoW 计算比赛的人,将付出不小的经济成本(硬件、电力、维护等)。当没有成为首个算出的“幸运儿”时,这些成本都将被沉没掉。这也保障了,如果有人恶意破坏,需要付出大量的经济成本。也有设计试图将后算出结果者的算力按照一定比例折合进下一轮比赛考虑。

有一个很直观的例子可以说明为何这种经济博弈模式会确保系统中最长链的唯一。

超市付款需要排成一队,可能有人不守规矩要插队。超市管理员会检查队伍,认为最长的一条队伍是合法的,并让不合法的分叉队伍重新排队。只要大部分人不傻,就会自觉在最长的队伍上排队。

优点:

  • 完全去中心化
  • 节点自由进出,容易实现。
  • 破坏系统花费的成本巨大

缺点:

  • 对节点的性能网络环境要求高
  • 无法达成最终一致性
  • 最关键的,浪费能源

POS 权益证明

权益证明,Proof of Stake,2013 年被提出,最早在 Peercoin 系统中被实现,类似现实生活中的股东机制,拥有股份越多的人越容易获取记账权。

典型的过程是通过保证金(代币、资产、名声等具备价值属性的物品即可)来对赌一个合法的块成为新的区块,收益为抵押资本的利息和交易服务费。提供证明的保证金(例如通过转账货币记录)越多,则获得记账权的概率就越大。合法记账者可以获得收益。

POS是根据钱包里面货币的多少以及货币在钱包里存在的天数来合成一个单位(币天)。它根据币天的关系对计算机进行哈希计算降低了难度,降低了计算机的门槛,但是对计算机还是有一定要求的,它把钱包和区块链系统的一致性绑定在一起。谁的钱包里的币天数越大谁拥有记账权的概率就越大。但是它和POW机制一样解决问题的思想也导致了它与POW拥有一样的缺点,也是牺牲了一部分的共识(同样分叉),而且需要等待多个确认。

PoS 是试图解决在 PoW 中大量资源被浪费的缺点。恶意参与者将存在保证金被罚没的风险,即损失经济利益。一般的,对于 PoS 来说,需要掌握超过全网30%的资源,才有可能左右最终的结果。这个也很容易理解,三个人投票,前两人分别支持一方,这时候,第三方的投票将决定最终结果。

优点:

  • 对节点性能要求低,达成共识时间短(网络环境好的话可实现毫秒级)

缺点:

  • 没有最终一致性

以太坊前三个阶段,即Frontier(前沿)、Homestead(家园)、Metropolis(大都会)。第四个阶段,即Serenity(宁静),将采用PoS机制。

Casper:以太坊前三个阶段采用的是POW共识机制,第四个阶段将采用自己创建的POS机制,名为投注共识。这种机制增加了惩罚机制,并基于POS的思想在记账节点中选取验证人。

DPOS 委托股权证明机制

PoS 也有一些改进的算法,包括授权股权证明机制(DPOS),即股东们投票选出一个董事会,董事会中成员才有权进行代理记账。

代表新型智能合约的EOS采用DPOS(Delegated Proof of Stake)委托股权证明机制。DPOS通过一定程度的中心化,拥有了中心化系统的性能优势。

中本聪设想的一cpu一票的区块链世界里,每个人都能积极参与到区块链中,这样才能实现完全去中心化的系统。但是现实生活中每个人都参与决策效率往往不高,这才出现代表大会制度。

DPOS网络中的每个持有代币的人(即每个客户端)都有权选出自己的代表,让为数不多的代表们来维护区块链网络的运行,每个区块由随机的代表轮流负责挖出。这使得区块的产生只需要被更少数量的节点检验和确认,大大提高了网络运行速度。
最重要的是这些代表权利平等,并时刻受到监督,如果因为计算不稳定,经常不在线,就会被持币者们自动踢出由新的代表所代替。而表现可靠的代表们也能稳定地收取区块中的交易手续费。

PBFT:Fabric使用的经典算法(拜占庭容错)

PBFT是Practical Byzantine Fault Tolerance的缩写,意为实用拜占庭容错算法。

拜占庭容错能够容纳将近1/3的错误节点误差,Hyperledger就是使用了该算法作为可插拔的共识算法之一。

 
5-Figure1-1.png

步骤:

从全网节点选举出一个主节点(Leader),新区块由主节点负责生成

  • Pre-Prepare:每个节点把客户端发来的交易向全网广播,主节点0将从网络收集到需放在新区块内的多个交易排序后存入列表,并将该列表向全网广播,扩散至123

  • Prepare:每个节点接收到交易列表后,根据排序模拟执行这些交易。所有交易执行完后,基于交易结果计算新区块的哈希摘要,并向全网广播,1->023,2->013,3因为宕机无法广播

  • Commit:如果一个节点收到的2f(f为可容忍的拜占庭节点数)个其它节点发来的摘要都和自己相等,就向全网广播一条commit消息

  • Reply:如果一个节点收到2f+1条commit消息,即可提交新区块及其交易到本地的区块链和状态数据库。

参考 《区块链技术指南》

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