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區(qū)塊鏈主流共識(shí)算法

awokezhou / 2372人閱讀

摘要：比特幣是第一個(gè)區(qū)塊鏈應(yīng)用，同時(shí)也是最著名的應(yīng)用之一，它所使用的共識(shí)機(jī)制就是。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的參與者鎖定他們在該區(qū)塊鏈上持有的虛擬資產(chǎn)或，他們會(huì)簽署消息以達(dá)成一致意見。

一.POW(Proof Of Work)

Proof Of Work，也就是工作量證明。工作量證明系統(tǒng)（或者說協(xié)議、函數(shù)），是一種應(yīng)對拒絕服務(wù)攻擊和其他服務(wù)濫用的經(jīng)濟(jì)對策。它要求發(fā)起者進(jìn)行一定量的運(yùn)算，也就意味著需要消耗計(jì)算機(jī)一定的時(shí)間。這種系統(tǒng)要求得到證明的過程是低效且漫長的，可是校驗(yàn)則是高效且迅速，概括起來就是求解難，驗(yàn)證容易。

比特幣是第一個(gè)區(qū)塊鏈應(yīng)用，同時(shí)也是最著名的應(yīng)用之一，它所使用的共識(shí)機(jī)制就是POW。那么具體是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

在比特幣中，使用了SHA256這種哈希函數(shù)作為求解手段。SHA256有以下特征：

是一種散列函數(shù)，即相鄰的x1和x2，求得的f(x1)和f（x2）差別極大。

不可逆推，給定了f(x)的值，推斷不出輸入值。

不存在比窮舉更好的方法，可以使f(x)落在特定的范圍。

實(shí)際使用過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要打包的交易數(shù)據(jù)相同，再從尾部加一個(gè)隨機(jī)數(shù)（節(jié)點(diǎn)自己選）作為整體輸入來求輸出值，把結(jié)果和當(dāng)前的挖礦難度對比（要求輸出值前x位為0），滿足條件則向附近節(jié)點(diǎn)廣播；不滿足則更換隨機(jī)數(shù)繼續(xù)求解。最快求得解的節(jié)點(diǎn)，則可以視為挖礦勝出，取得其他節(jié)點(diǎn)的共識(shí)。

目前比特幣已經(jīng)吸引了全球大部分的運(yùn)算能力，其他再使用PoW共識(shí)機(jī)制的區(qū)塊鏈應(yīng)用很難獲得相同的計(jì)算能力來保障自身的安全，從而無法復(fù)制比特幣的輝煌；同時(shí)由于挖礦造成大量的資源被浪費(fèi)，共識(shí)達(dá)成的周期很長，導(dǎo)致了比特幣的TPS（transaction per second，每秒執(zhí)行事務(wù)數(shù)量）極低，只有個(gè)位數(shù)。

二.POS(Proof of Stake)

POS通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)內(nèi)部的虛擬資產(chǎn)來管理安全性，根據(jù)節(jié)點(diǎn)持有的通證數(shù)量或者時(shí)長來決定節(jié)點(diǎn)享有的權(quán)利大小。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的參與者鎖定他們在該區(qū)塊鏈上持有的虛擬資產(chǎn)（Coin或Token），他們會(huì)簽署消息以達(dá)成一致意見。只有那些已經(jīng)成為系統(tǒng)一部分的參與者才能夠決定下一個(gè)區(qū)塊的內(nèi)容。

PoW共識(shí)算法從經(jīng)濟(jì)角度，可以自然做到防止區(qū)塊鏈分叉（區(qū)塊鏈分叉的本質(zhì)就是網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)對區(qū)塊鏈的生成產(chǎn)生分歧，無法達(dá)成共識(shí)）。但是PoS則需要精心設(shè)計(jì)好相應(yīng)的規(guī)則來防止分叉，例如PoS可以設(shè)定懲罰機(jī)制，參與挖礦的礦工被要求鎖定一定數(shù)量的虛擬資產(chǎn)。如果他們被偵測到了存在不當(dāng)?shù)男袨?，則系統(tǒng)會(huì)沒收全部或部分被鎖定的虛擬資產(chǎn)。

三.DPOS(Delegated Proof of Stake)

DPoS機(jī)制，中文名叫做股份授權(quán)證明機(jī)制（又稱受托人機(jī)制），它的原理是讓每一個(gè)通證的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行投票，選出集中多數(shù)票的節(jié)點(diǎn)，例如100個(gè)，然后這些節(jié)點(diǎn)會(huì)行使類似POS的權(quán)力。
DPOS利用利益相關(guān)方批準(zhǔn)投票的權(quán)力以公平和民主的方式解決共識(shí)問題，所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，從費(fèi)用估算到塊間隔和交易規(guī)模，都可以通過選定的代表進(jìn)行調(diào)整。從某種角度來看，DPOS有點(diǎn)像是議會(huì)制度或人民代表大會(huì)制度。如果代表不能履行他們的職責(zé)（當(dāng)輪到他們時(shí)，沒能生成區(qū)塊），他們會(huì)被除名，網(wǎng)絡(luò)會(huì)選出新的超級節(jié)點(diǎn)來取代他們。

四.PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）

Practical Byzantine Fault Tolerance，實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法。

拜占庭假設(shè)是對現(xiàn)實(shí)世界的模型化，由于硬件錯(cuò)誤、網(wǎng)絡(luò)擁塞或斷開以及遭到惡意攻擊，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)不可預(yù)料的行為。拜占庭容錯(cuò)協(xié)議必須處理這些失效，并且這些協(xié)議還要滿足所要解決的問題要求的規(guī)范。這些算法通常以其彈性t作為特征，t表示算法可以應(yīng)付的錯(cuò)誤進(jìn)程數(shù)。很多經(jīng)典算法問題只有在t小于n/3時(shí)才有解，如拜占庭將軍問題，其中n是系統(tǒng)中進(jìn)程的總數(shù)。

五.BFT-DPoS

BFT-DPoS，Byzantine Fault Tolerance - Deligated Proof of Stake，帶有拜占庭容錯(cuò)的委托股權(quán)證明。
EOS的白皮書中，每個(gè)見證人出塊時(shí)全網(wǎng)廣播，其他見證人收到新區(qū)塊后，立即對此區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證，并將驗(yàn)證簽名完成的區(qū)塊立即返回出塊見證人，不需等待其他見證人自己出塊時(shí)再確認(rèn)。從當(dāng)前的出塊見證人看來，他生產(chǎn)了一個(gè)區(qū)塊，并全網(wǎng)廣播，然后陸續(xù)收到了其他見證人對此區(qū)塊的確認(rèn)，在收到 2/3 見證人確認(rèn)的瞬間，區(qū)塊（包括其中的交易）就不可逆了。交易確認(rèn)時(shí)間大大縮短，從 45 秒縮短至 3 秒左右（主要為等待生產(chǎn)區(qū)塊的時(shí)間）。

EOS原來是采用DPoS，為了效率采用PBFT 和 DPOS結(jié)合的BFT-DPoS，理論確認(rèn)速度大大提升。因?yàn)镋OS在設(shè)計(jì)之初就提出了選出21個(gè)超級節(jié)點(diǎn)作為見證人，并負(fù)責(zé)全網(wǎng)的出塊，所以被人詬病缺失了區(qū)塊鏈的去中心化精神。實(shí)際上，比特幣、以太坊這些前輩，經(jīng)過了前期的發(fā)展后，大部分算力已經(jīng)集中在各大礦池和機(jī)構(gòu)手上了，所以EOS只是提前把這個(gè)生態(tài)確定下來，并寫在臺(tái)面上，才會(huì)有這樣的非議。

EOS的這種妥協(xié)，其實(shí)是兼顧了中心化和效率，是區(qū)塊鏈上一個(gè)有益的嘗試。

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【許曉笛】詳解 EOS 的新共識(shí)機(jī)制 BFT-DPoS

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