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  • 共识机制主要解决了
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    2022-06-21 22:59:35

    什么是区块链的共识机制?

    什么是拜占庭将军问题?


    拜占庭将军问题其实是虚构出来的一个故事,是为了方便通俗地介绍分布式系统所面临的难题。

    1982年,Leslie Lamport提出的“拜占庭将军”问题是解释一致性问题的一个虚拟模型。拜占庭是古东罗马的首都,由于地域宽广,守卫的将军需要通过信使传递消息,达成一致的决定。但由于将军中可能存在叛徒,这些叛变的将军可能会发送错误的消息,干扰大家的决议。

     

    拜占庭问题的提出是为了解决上述情况下,怎样让忠诚的将军们达成一致的决议。这个问题演变到计算机领域,就是在互联网中不同计算机通过通信怎样达成一致。与拜占庭将军类似,实际过程中有些计算机可能出现错误,有些计算机有可能被黑客攻击,怎样保证网络上的计算机对某个事物达成一致就是这个理论模型要解决的问题。

    在这个问题里,各邻国最重要的事情是:所有将军如何能够达成共识去攻打拜占庭帝国。这些将军需要实现某一个统一的目标,一致进攻或者一致撤退,但是单独行动却又可能面临失败,所以必须达成共识,一致合作。由于叛徒的存在,将

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    在这里,我将讨论区块链使用的共识机制。它不等同于区块链,对于不同区块链可能使用不同技术,例如:以太坊使用股权证明和比特币使用工作量证明。 区块链共识机制: 1.工作量证明(PoW,Proof of Work) 工作量...

    区块链相关的讨论仍然很热闹。区块链是去中心化的,分布式的和公共的数字分类帐,用于记录许多计算机上的交易,这样就不会在不改变后续块和网络串通的情况下追溯地改变记录。区块链需要功能强大,高效且安全的一致性算法,以便通过共享公共分类帐在全球范围内运行。

    在这里,我将讨论区块链使用的共识机制。它不等同于区块链,对于不同区块链可能使用不同技术,例如:以太坊使用股权证明和比特币使用工作量证明。

    区块链共识机制:

    1.工作量证明(PoW,Proof of Work)

    工作量证明是一种协议,其主要目标是阻止网络攻击,例如分布式拒绝服务攻击(DDoS),其目的是通过发送多个虚假请求来耗尽计算机系统的资源。这是它的工作原理:

    • 工作量证明是定义通常称为挖掘的昂贵计算机计算的必要条件,需要执行该计算以便在区块链上创建新的trustless交易组(块)。
    • 第一个解决问题的区块矿工获得了回报。
    • 网络矿工竞争成为第一个找到数学问题解决方案的人。
    • 验证的交易仅存储在公共区块链中。
    • 具有最大计算能力的一方通常会对该区块进行挖掘,而其他方只会因为多个矿工竞争在一个实例中创建一个区块而浪费能源。比特币使用这种机制。下面我们介绍股权证明的机制。

    2.股权证明(PoS,Proof of stake)

    它是工作量证明的最常见替代方案。这是在区块链中创建块的另一种方法。块生产者被称为验证者而不是矿工。验证人必须记下存款或股权才能参与创建区块的过程。

    这里,验证器是根据一些选择算法来选择的,这些算法考虑了它们的影响。只有选定的验证器可以创建一个块而其他验证器不能参与,从而节省了其他验证器的能量。这对环境来说要好得多。如果验证人做了一些错误的事情,那么他们就会失去他们的利益,因此你会得到诚实的回报。矿工们收取他们的交易费用,因此他们没有像PoW那样获得奖励。

    以太坊已从PoW转移到PoS。

    3.烧毁证明(PoBurn,Proof of Burn)

    烧毁证明是工作量证明和股权证明的替代方法,也是分布式共识的方法。它也是区块链网络实现的共识机制,以确保所有参与节点就区块链网络的真实和有效状态达成一致,从而避免任何加密双重花费的可能性。

    它的工作原理是允许矿工烧毁burn或销毁destroy虚拟货币代币,这使得他们有权根据烧毁的代币按比例写入块。你烧毁的代币越多,被选中开采下一个区块的机会就越大。它试图解决PoW的能耗问题。为了烧毁代币,矿工需要将其发送到无法使用的地址以验证块。Slim coin基于这种共识机制算法。

    4.容量证明(PoC,Proof of capacity)

    那么,这也是一种共识机制算法。这与其他算法略有不同。在这里,你需要支付硬盘空间。你拥有的硬盘空间越大,你挖掘下一个区块并获得区块奖励的机会就越大。在PoC系统中挖掘之前,该算法会生成称为plots的大型数据集,并将它们存储在你的硬盘上。

    容量证明包括两部分。有硬盘的plots和块的实际挖掘。根据硬盘的大小,制作独特的plot文件可能需要数天甚至数周。plotting使用称为Shabal的非常慢的哈希。这还包括空间证明和存储证明等变体。这更像是一个付钱的东西。唯一基于PoC的加密货币是Burst coin

    5.委托的股权证明(dPoS,Delegated Proof of Stake)

    这是PoS的扩展。在DPoS区块链共识协议中,加密币持有者使用其代币余额来选择被称为委托人的代表。这些委托人有机会获得新交易的大量内容并将其添加到区块链中。投票权实际上取决于他们拥有的代币数量,通常称为网络财富。

    拥有更多token或代币的人将比拥有少量代币的人对网络产生更大的影响。任何人都可以参与块生成器选举,创建块的机会将取决于他们获得的每一个其他生成器的投票数量。如果他们能真正实现这一目标,那么他们将会感谢DPoS。

    基于这种机制的加密货币是CaptainAlt coin

    6.行动证明(PoA,Proof of Activity)

    该算法更像是工作量证明,其复杂性在很大程度上降低了,因此问题的解决方案需要从几分之一秒到几分钟。行动证明是一种混合方法,结合了工作量证明和股权证明。与PoW一样,矿工们竞相解决加密难题。然后系统切换到PoS。不同之处在于被挖掘的块不包含交易。它们只是带有标题信息和挖掘奖励地址的模板。

    通过限制块创建的最小可能时间来验证所创建块的正确性。这允许你限制向链中添加块的最大速度,从而防止网络中出现攻击,我们也称之为垃圾邮件。使用此机制的coin是DecredEspers

    7.实用的拜占庭容错机制(PBFT,Practical Byzantine fault tolerant Mechanism)

    PBFT是最受欢迎的许可区块链平台协议,目前由Hyperledger Fabric(IBM)使用。所以你听说过拜占庭将军的问题吗?没有?让我先解释一下这个问题然后你就能更好地理解PBFT了。想象一下,一群拜占庭将军和他们的军队围住了一座城堡并准备进攻。要赢,他们必须同时进攻。但他们知道其中至少有一个叛徒。那么,他们如何在他们的小组中至少与一个不知名的叛徒发起成功的攻击呢?

    类比很清楚:在任何分布式计算环境中,都存在流氓actor可能造成严重破坏的风险。因此,它依赖于社区共识使拜占庭故障成为区块链特别棘手的问题。为了克服该问题,使用PBFT。根据所有将军提交的总决定确定共识决定。PBFT共识机制不需要任何hash能量来批准区块链中的交换,这意味着不需要高能量利用并且集中化的危险性较低。它也产生高回报,并且还有交易终结。

    8.时间消逝证明(PoET,Proof of Elapsed Time)

    英特尔已经提出了自己的替代共识协议,称为时间消逝证明。PoET现在是Hyperledger Sawtooth模块化框架的首选共识模型。PoET算法通常用于赋予权限以确定矿工拥有的权利。使用它的网络在参与者可以参与之前识别参与者。每个节点都有完全相同的机会成为块的赢家。PoET机制基于传播和公平分配最大可能数量的参与者的几率。

    网络中的每个参与节点必须等待一定的时间。在这方面,每个节点都要求从其本地的enclave(可信函数)请求等待时间。拥有最短暂停留时间的成员紧接着在等待了分配时间之后被接纳。每个节点每次都产生自己的等待时间,之后它进入一种睡眠模式。一旦节点唤醒并且块可用,该节点就是幸运的赢家。然后,节点可以在整个网络上传播信息,使其保持去中心化并获得奖励。

    顺便说一下,我们必须依靠英特尔来建立信任,这仅仅是去中心化的概念。我的意思是,为什么我们又要依赖第三方呢?

    9.重要性证明(PoI,Proof of Importance)

    PoI首先由NEM引入,称其为加密货币,名为XEM代币。使用PoI,重要的不仅仅是代币余额。根据POI方法,奖励系统应基于用户对所有容量的网络贡献。因此,块的投注基于多种因素,包括声誉,总体余额以及通过特定地址或从特定地址完成的交易数量。

    在这里,经常发送和接收交易的参与者更有可能找到块。重要性证明仅计算帐户上的代币数天。没有为网络整理的XEM中10%每天都是固定的。攻击网络非常昂贵,并且它还慷慨地奖励用户保护网络。

    10.租赁权益证明(LPoS,Leased Proof of Stake)

    LPoS由WAVES开发,WAVES是一个去中心化的区块链平台,允许创建自定义代币。在PoS中,即使你有一定数量的代币,也只能添加一个区块,甚至无法参与创建区块的过程,并且不是每个人都有机会参与区块链的维护并获得奖励。LPoS解决了这个问题。

    更多的用户或参与者,更好地成为网络的安全性。帐户上的代币数量越多,就越有可能将下一个块添加到区块链中并获得奖励。

    11.身份证明(POI,Proof of Identity)

    PoI的概念是将私钥与授权身份进行比较。身份证明(PoI)基本上是加密证据(数据片段),其告知任何用户都知道与授权身份进行比较并以加密方式附加到特定交易的私钥。来自现有组的每个人都可以创建数据块并将其呈现给任何人,例如处理节点。

    恭喜,现在你了解几乎所有区块链共识机制。除此之外,我还想提一下你需要了解的这个重要的共识机制Direct Acyclic Graphs (DAGs)

    随着区块链随着时间的推移而增长,节点将需要越来越多的存储容量和更高的带宽(数量增加),以便与添加到分类帐的交易保持同步。

    在DAG内,节点本身成为“矿工”。此过程也更轻量级,因为你只需验证两个最近节点的交易。由于矿工被淘汰,我们自己验证交易,交易费用减少到零。关键字非循环只意味着图中没有节点可以引用自身,它不能是自己的母节点。IOTA使用DAG(Tangle)。此外,它的数据结构使网络易于扩展。每个人都参与达成共识,因此,使用IOTA的人越多,网络就越快。更多的人,更快的网络和安全的网络!

     

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  • 区块链的核心:共识机制

    千次阅读 2021-07-23 15:19:45
    我在上一篇“区块链到底是怎么运行的”一文中,提到了“打包交易”和“广播交易”这两个概念,其实,以上谈到的两个内容正是区块链最核心的技术内容之一:共识机制。 在今天的文章中,我们就展开聊一聊区块链共识...

    我在上一篇“区块链到底是怎么运行的”一文中,提到了“打包交易”和“广播交易”这两个概念,其实,以上谈到的两个内容正是区块链最核心的技术内容之一:共识机制。

    在今天的文章中,我们就展开聊一聊区块链共识机制到底是什么,以及区块链的共识过程到底是怎样的。

    分布式系统的经典问题: 拜占庭将军问题

    拜占庭将军问题其实是虚构出来的一个故事,是为了方便通俗地介绍分布式系统所面临的难题。在常规的分布式系统中,都有一个默认的假设,那就是分布式网络中的所有节点都是可信的,也就是说这些节点都是自己人,不会发虚假信息。而拜占庭将军问题之所以复杂主要就是因为每个节点都有可能是不可信的,他可能已经做了叛徒,或者被敌人挟持从而会谎报军情。拜占庭将军的问题就是要解决如何在允许有少部分人不可信的情况下,去达到最终的分布式一致性,即如何在不受这些不可信节点的影响下来达成共识。

    区块链本质上也是分布式系统的一种,其共识机制也是为了上述问题而提出的解决方案。

    什么是区块链共识机制?

    共识机制是区块链是核心的组成要素之一,它决定了区块链的业务吞吐量、交易速度、不可篡改性、准入门槛等等,是最为关键的技术要素之一。要理解区块链共识机制,首先就需要理解区块链共识机制到底解决了什么问题。共识机制主要解决了两个问题:1. 谁有权利;2. 如何防止作弊。上一次我们构造了一个中心化记账的场景,在这个场景下,记账问题其实可以简化为大家信任中心记账者即可。然而在分布式记账的场景下,问题更为复杂。首先,大家面临的最大问题是谁有权利记账,其次是如何避免记账者作弊。毕竟,谁都有权利记账,也就意味着谁都有可能作弊。以上两部分共同构成了区块链共识机制。

    最经典的入门型共识机制:PoW 工作量证明PoW (Proof of Work)

    工作量证明可以解决上述的两个问题,在上一篇文章中,其实我们已经悄悄讲解了一点 PoW 共识机制,你还记得上文提到的“24 点”那个游戏吗?“24 点”其实是尽可能随机地选取系统中任意的节点来规避作弊者,这个方案的实践其实就是 PoW 共识机制。

    产生记账者的随机性其实来自于谁最先计算出 24 点的答案,这个问题可以简化成谁拥有的计算资源更多,谁就拥有整个系统的最大概率的记账权。一旦这个概率超过一半以上,那么这个系统就有一定的中心化风险。

    如何理解上面一段话呢?举个例子,李四家发明了一种算盘,可以快速计算 24 点答案,比起其他人掰手指头,李四家总是有很大的概率拿下记账权,换句话说,也就是李四和全村其他所有人竞争,相当于算盘对全村其他人手指头的竞争。如果算盘足够强大,就能有一半的概率获得记账权,那么李四个人的诚实性,就成为了系统的唯一破绽。

    比如李四在第一次记账时篡改部分交易,第二次还是他记账,还继续篡改交易,那么两次修改如果逻辑自洽的话,是可以形成假账的,这就是所谓的中心化风险。所以在 PoW 这种机制中,计算资源(又称算力)是决定记账权的唯一因素。与之对应的,便是计算难度。计算难度又称作挖矿难度,计算难度是区块链为了控制产生答案的速度,比如平均 10 分钟就有一个答案产生,平均 2 分钟一个答案产生。在上述场景中,因为李四有了算盘,强大的计算资源突然加入以后,肯定会让整个系统的产生答案的速度变快很多,作为系统本身会自适应,将难度提升,降低答案产生的速度。

    上面介绍了这么多,其实是想引出另外一个问题,PoW 到底是如何避免作弊者的呢?答案就是计算资源(算力)。设想,如果一个作弊者想篡改交易,首先得获得记账权。而影响记账权的唯一因素只有计算资源(算力)的大小,如果想篡改交易,只能投入大量的计算资源与整个系统中其他所有人进行对抗,这是十分困难的,尤其在整个系统有一定基础计算资源(算力)的情况下。

    假设作弊者的计算资源(算力)占整个系统的 30%,那么连续两次获得记账权的概率是 9%,看起来作弊的可能性还是挺高的,如果是连续 6 次获得记账权呢?概率直降到万分之七。

    在比特币中,一笔交易想要被最终确认生效,必须等这个交易所在的区块之后的连续 6个区块都被确认了才能生效,只有这样它被篡改的可能性将越来越小,最后变得几乎不可能被篡改。这也是区块链不可被篡改说法的由来。试想,如果任何作弊者花了大量的成本获取了系统 30% 的计算资源(算力),最后只有万分之七的概率获得篡改的可能性,比起作弊,还不如诚实记账的收益高。

    总结一下,今天带你了解了区块链的共识机制,也顺便浅谈了拜占庭将军问题,介绍了区块链的入门共识机制 PoW,它其实也是目前区块链领域使用最广泛,应用最成熟的共识机制。当然今天的内容主要还是概念表述,具体技术实现细节后面再给大家分析。

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  • 区块链的共识机制是什么?

    千次阅读 2022-01-11 17:22:53
    当我们讨论区块链的时候,经常会谈到共识机制。那么什么是共识机制?区块链为什么需要共识机制?区块链的共识机制有哪些?了解到这些不同共识机制的原理,才能进一步理解区块链的安全特性和不可篡改特性。 共识...

    当我们讨论区块链的时候,经常会谈到共识机制。那么什么是共识机制?区块链为什么需要共识机制?区块链的共识机制有哪些?了解到这些不同共识机制的原理,才能进一步理解区块链的安全特性和不可篡改特性。

    共识机制/Consensus

    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事务先后顺序不可能完全一致。因此区块链系统需要设计-种机制对在差不多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”。

    工作量证明/Proof of Work/PoW

    工作量证明简单理解就是一份证明,用来确认节点做过一定量的工作。监测工作的整个过程通常是极为低效的,而通过对工作的结果进行认证来证明完成了相应的工作量,则是-种非常高效的方式。比特币在区块的生成过程中使用了PoW机制,要得到合理的随机数求解数学难题需要经过大量尝试计算, 通过查看记录和验证区块链信息的证明,就能知道是否完成了指定难度系数的工作量。

    权益证明/Proof of Stake/PoS

    PoS也称权益证明机制,类似于把资产存在银行里,银行会通过你持有数字资产的数量和时间给你分配相应的收益。采用PoS机制的加密货币资产,系统会根据节点的持币数量和时间的乘积(币天数)给节点分配相应的权益。

    权益授权证明/Delegated Proof ofStake/DPoS

    DPoS是一种类似董事 会的授权共识机制,该机制让每一个持币人对整 个系统的节点进行投票,决定哪些节点可以被信任并代理他们进行验证和记账,同时生成少量的对应奖励。DPoS大幅提高区块链的处理能力,并降低区块链的维护成本,从而使交易速度接近于中心化的结算系统。

    燃烧证明/Proof of Burn/PoB

    燃烧证明是一种投资于全新的加密货币的方法:为了获得一种新的货币,你必须“烧掉”( 摧毁)另-种货币,比如比特币。从理论上讲,这将使每一种新的加密货币价值相当于被摧毁的币的价值,但实际上你不能真的摧毁加密货币,系统需要你把它送到-一个会减少它的总供应量的地方6、开发者证明/Proof of Developer/PoD开发者证明是一个真实的、 活的软件开发人员创建了一种加密货币的证据。 它用于启动新的加密货币,以防止匿名开发人员在不提供可行的加密货币的情况下收集和窃取资金。

    重要性证明/Proof of Important/Pol

    重要性证明是根据交易量、活跃度等维度而不仅仅是根据工作量和币的数量来决定区块链的记账权力。 

    基于交易的权益证明机制/Transaction as Proof of Stake/TaPOS

    TaPOS为股东们提供了-个长效机制来直接批准他们的代表的行为,平均而言, 51%的股东在6个月内会直接确认每个区块,取决于活跃流通的股份所占的比例,差不多10%的股东可以在几天内确认区块链。这种方式直接确认保障了网络的长期安全,并使所有的攻击尝试变得极度清晰易见。

    瑞波共识机制/Ripple Consensus

    瑞波共识算法使一组节点能够基于特殊节点列表达成共识,初始特殊节点列表就像一个俱乐部 ,要接纳一个新成员,必须由5 1%的该俱乐部会员投票通过。共识遵循核心成员51%权力规则,外部人员则没有影响力。

    分布式共识/Distributed Consensus

    所有的节点必须定期更新彼此之间的不断复制的状况,通过专]的槽位来识别每一个更新。当所有节点更新了他们的分类账并放映的值相同时,就可达成共识,会将协商-致的声明具体化并发布至它们的分类账副本去。

    验证池机制/POOL

    验证池机制是基于传统的分布式一致性技 术和数据验证机制的结合,它使得在成熟的分布式-致性算法(Pasox、Raft) 基础上,不需要代币也能实现秒级共识验证。

    51%攻击/5 1% attack

    51%攻击,是指利用比特币以算力作为竞争条件的特点,凭借算力优势篡改或者撤销自己的付款交易。如果有人掌握了50%以上的算力,他能够比其他人更快地找到开采区块需要的那个随机数,因此他能够比其他人更快地创建区块。

    双重支付双重花费双花/Double Spending

    双重支付是一一个故意的分叉,是指具有大量计算能力的节点发送一个交 易请求并购买资产,在收到资产后又做出另外-一个交易将相同量的币发给自己。攻击者通过创造一个分区块,将原始交易及伪造交易放在该区块上并基于该分叉上开始挖矿。如果攻击者有超过50%的计算能力,双重花费最终可以在保证在任何区块深度上成功;如果低于50%则有部分可能性成功。

    拜占庭将军问题/Byzantine Generals Problem/BGP

    拜占庭将军问题是指“在存在消息丢失的不可靠信道上试图通过消息传递的方式达到一致性是不可能的”。因此在系统中存在除了消息延迟或不可送达的故障以外的错误,包括消息被篡改、节点不按照协议进行处理等,将会潜在地会对系统造成针对性的破坏。

    改进型实用拜占庭容错/Practical Byzantine Fault Tolerance/PBFT

    PBET共识机制是少数服从多数,根据信息在分布式网络中节点间互相交换后各节点列出所有得到的信息,-个节点代表-票,选择大多数的结果作为解决办法。PBET将容错量控制在全部节点数的1/3,即如只要有超过2/3的正常节点,整个系统便可正常运作。

    授权拜占庭容错算法/Delegated Byzantine Fault Tolerance/dBFT

    dBFT ,是基于持有权益比例来选出专门的记账人(记账节点) , 然后记账人之间通过拜占庭容错算法(即少数服从多数的投票机制)来达成共识,决定动态参与节点。dBF 可以容忍任何类型的错误,且专门的多个记账人使得每一个区块都有最终性、不会分叉。

    联邦拜占庭协议/Federated Byzantine Agreement/FBA

    联邦拜占庭协议的主要特性是去中心化和任意行为容错,通过分布式的方法,达到法定人数或者节点足够的群体能达成共识,每一一个节点不需要依赖相同的参与者就能决定信任的对象来完成共识。

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