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  • 区块链共识机制有哪些?
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    2018-05-16 18:07:16

    区块链技术有哪些共识机制?共识机制作为区块链技术的核心,很大程度上决定了整个区块链系统节点间的相互信任,是不是很多小伙伴对于区块链技术有哪些共识机制还不是很了解呢,下面就将区块链共识机制为大家做了整理。


    POW机制

    POW的全称为Proof of Work,翻译过来即“工作证明”或者“工作量证明”。挖矿获得多少货币奖励,取决于挖矿贡献的有效工作,也就是说矿机的性能越好、挖矿的时间越长,所获得的货币奖励就越多。

    BTC就是POW机制下最成功的加密货币。POW机制虽然已经成功证明了其长期稳定和相对公平,但在现有框架下,采用POW的“挖矿”形式,将消耗大量的能源。其消耗的能源只是不停的去做SHA256的运算来保证工作量公平,并没有其他的存在意义。而目前BTC所能达到的交易效率为约5TPS(5笔/秒),以太坊目前受到单区块GAS总额的上限,所能达到的交易频率大约是25TPS,与平均千次每秒、峰值能达到万次每秒处理效率的VISA和MASTERCARD相差甚远。

    POS机制

    POS 即权益证明或者股权证明,全称为 Proof of Stake。权益证明模式就是根据所持有货币的量和时间,来发利息的的一个模式。

    POS机制,相比于POW,POS机制节省了能源,引入了“币龄”这个概念来参与随机运算。POS机制能够让更多的持币人参与到记账这个工作中去,而不需要额外购买设备(矿机、显卡等)。每个单位代币的运算能力与其持有的时间长成正相关,即持有人持有的代币数量越多、时间越长,其所能签署、生产下一个区块的概率越大。一旦其签署了下一个区块,持币人持有的“币龄”即清零,重新进入新的循环。

    在POS机制下,因为区块的签署人由随机产生,则一些持币人会长期、大额持有代币以获得更大概率地产生区块,尽可能多的去清零他的“币天”。因此整个网络中的流通代币会减少,从而不利于代币在链上的流通,价格也更易受到波动。由于可能会存在少量大户持有整个网络中大多数代币的情况,整个网络有可能会随着运行时间的增长而越来越趋向于中心化。相对于PoW而言,PoS机制下作恶的成本很低,因此对于分叉或是双重支付的攻击,需要更多的机制来保证共识。稳定情况下,每秒大约能产生12笔交易,但因为网络延迟及共识问题,需要约60秒才能完整广播共识区块。长期来看,生成区块(即清零“币龄”)的速度远低于网络传播和广播的速度,因此在PoS机制下需要对生成区块进行“限速”,来保证主网的稳定运行。

    DPOS机制

    DPOS即授权股权证明(delegated proof of stake)。

    DPoS机制要求在产生下一个区块之前,必须验证上一个区块已经被受信任节点所签署。相比于PoS的“全民挖矿”,DPoS则是利用类似“代表大会”的制度来直接选取可信任节点,由这些可信任节点(即见证人)来代替其他持币人行使权力,见证人节点要求长期在线,从而解决了因为PoS签署区块人不是经常在线而可能导致的产块延误等一系列问题。DPoS机制通常能达到万次每秒的交易速度,在网络延迟低的情况下可以达到十万秒级别,非常适合企业级的应用。

    POI机制

    POI(Proof of Importance),即重要性证明。

    POI算法提供了一种分布更为均匀的挖矿方法。人们既不需要使用更强劲的机器,也不需要持有更多的股份来获取更多的奖励。只需要向整个经济体证明自己的重要性来获取区块奖励。这样它也无须特殊的挖矿硬件,能运行在一个树莓派设备上,因此它省电环保,有助于解决让人们头疼的地球高碳排放带带来的温室变暖问题。很显然,重要性证明可以解决比特币生态中的大量资源浪费和挖矿设备之间的竞争问题。除此之外,在重要性证明方案下,有钱并不意味着重要,它更看中的是交易量、活跃度,以及和谁做的交易。这些特性可以去除其他所有 POS系统都拥有的弊端,即进入让富者更富这样的循环。

    POA 机制

    POA (Proof of Asset),即资产证明。

    Digix通过它的资产证明(POA)协议为实体资产代币化和文档化提供了使用实例。这是笔者在后面推荐DGX代币的最重要的原因它诞生于一个非常有意义的创新项目里。Digix资产证明(POA)认证过程在以太坊上记录和提供一项资产的审计跟踪,用以创建POA资产卡。这些资产卡通过来自监管链参与者(即黄金供应商、托管商和审计商)的连续数宇签名获得认证,数字签名进一步通过被提供和上传到IPFS(星际文件系统所永久保存起来的购买和存储收据证明所确认。

    POB 机制

    POB (Proof of Burn),即烧毁证明。

    创建新区块的人必须为创建新的货币支付费用。这些费用将按照预先规定的比例或者算法转换为新的货币。合约币XCP)就是通过烧毁比特币而产生。

    数字货币算法还有购买证明(Proof-of-Purchase)、时间证明(Proof-of-time)、身份证明(Proof-of-identity)和混合证明(Combining Proofs)等。

    以上就是区块链技术共识机制的整理了,共识机制直接决定了使用者对区块链上数据的信任程度,所以了解拥有哪些区块链共识机制还是很有必要的。

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  • 区块链共识机制

    千次阅读 2022-03-13 16:25:30
    2、区块链关键技术:加密技术、分布式存储、共识机制、智能合约 3、区块链的网络特点:网络路由、验证区块数据、传播区块数据、发现新节点 4、数据安全与隐私保护关键技术:时序链、分布式存储、加密技术 5、共识层...

    目录

    区块链的特点

    1. 去中心化

    2. 开放性

    3. 独立性

    4. 安全性

    区块链关键技术

    区块链网络通信层关键技术(P2P网络)

    组网方式

    P2P网络

    永不停止

    数据安全与隐私保护关键技术

    时序链

    分布式存储

    加密技术

    共识层关键技术

    1. PoW

    2. PoS

    3. DPoS

    4. PBFT

    PoW、PoS、DPos共识机制优缺点

    总结


    区块链的特点

    1. 去中心化

    区块链技术不依赖额外的第三方管理机构或硬件设施,没有中心管制,除了自成一体的区块链本身,通过分布式核算和存储,各个节点实现了信息自我验证、传递和管理。去中心化是区块链最突出最本质的特征。

    2. 开放性

    区块链技术基础是开源的,除了交易各方的私有信息被加密外,区块链的数据对所有人开放,任何人都可以通过公开的接囗查询区块链数据和开发相关应用,因此整个系统信息高度透明。

    3. 独立性

    基于协商一致的规范和协议(类似比特币采用的哈希算法等各种数学算法),整个区块链系统不依赖其他第三方,所有节点能够在系统内自动安全地验证、交换数据,不需要任何人为的干预。

    4. 安全性

    只要不能掌控全部数据节点的51%,就无法肆意操控修改网络数据,这使得区块链本身变得相对安全,避免了主观人为的数据变更。

    区块链关键技术

    区块链使用的关键技术:加密技术、分布式存储、共识机制、智能合约

    区块链网络通信层关键技术(P2P网络)

    组网方式

    区块链系统的节点一般具有分布式、自治性、开放可自由进出等特性,因而一般采用对等式网络(Peer-to-peer network),来组织散布全球参与数据验证和记账的节点。

    P2P网络

    每个节点均地位对等且以扁平式拓扑结构相互连通和交互,不存在任何中心化的特殊节点和层级结构。每个节点均会承担 网络路由、验证区块数据、传播区块数据,发现新节点 等功能。按照节点存储数据量不同,可以分为全节点和轻量节点。

    永不停止

    初始化时通过硬编码的种子节点建立连接。

    区块链网络层封装了区块链系统的组网方式消息传播协议和数据验证机制等要素,结合实际应用需求,通过设计特定的传播协议和数据验证机制,可使区块链系统中每个节点都能参与区块数据的校验和记账过程。仅当区块数据通过全网大部分节点验证后,才能记入区块链。

     区块链网络特点:网络路由、验证区块数据、传播区块数据、发现新节点(挖矿)

    数据安全与隐私保护关键技术

    时序链

    区块链通过将数据打包成区块,并按时序链接,从而让数据具备不可更改的特点。每一笔数据都打上时间戳,除非可以提供之前所有工作量证明,否则数据不能被更改。

    分布式存储

    每一个节点都参与记账,从而让每一个节点都参与数据安全存储,数据无法被破坏。每一个节点都进行数据验证,非法数据无法进入。分布式结构保证了数据的完整性

    加密技术

    密码学是区块链技术的基础。比特币的区块链中用到了公钥密码体制、数字签名、Hash函数等密码学技术。每一笔交易都基于用户私钥数字签名,保证了交易的可信和安全。

    共识层关键技术

    共识即多个个体达成一致的机制。它就像一个国家的法律,维系着区块链世界的正常运转。在区块链上,每个人都会有一份记录链上所有交易的账本,链上产生一笔新交易时,每个人接收到这个信息的时间是不一样的,有些想要干坏事的人就有可能在这时发布一些错误的信息,这时就需要一个人把所有人接收到的信息进行验证,最后公布最正确的信息。

    区块链中共识机制解决两个问题

    分布式网络数据一致性,即不同的节点记录的数据必须相同;

    数据有效性,节点记录的数据格式和内容必须满足区块链规则。

    共识机制的本质即消耗资源以换取信任。因此共识机制的评判标准可以总结为 “消耗多少资源,换取多少节点的信任,换取信任的程度,换取信任的速度,换取是否需要前提条件”,即资源消耗问题、节点扩展性问题、安全性问题、效率问题以及开放性问题。

    常见的共识机制如下图所示:

    需要掌握以下几种共识机制:

    PoW:工作量证明

    PoS:权益证明

    DPoS:授权权益证明

    POA:权威证明

    PBFT:实用拜占庭容错算法

    DBFT:授权拜占庭容错算法

    1. PoW

    PoW(Proof of Work)工作量证明机制。

    基本原理:第一代共识机制,比特币的基础 。通过算力的比拼来选取一个节点,由该节点决定下一轮共识的区块内容(记账权)。提供算力服务的过程就是 “挖矿”。第一个找到合适的nonce的节点获得记账权。节点生成新区块后广播给其他节点,其他节点对此区块进行验证,若通过验证则接受该区块。在每一轮共识中,只有一个节点的工作量有效。

    PoW机制优点:可以吸引很多用户参与其中,特别是越先参与的获得越多奖励,会促使加密货币的初始阶段发展迅速,节点网络迅速扩大。在CPU挖矿时代,比特币吸引了很多人参与“挖矿”,就是很好的证明。通过“挖矿”的方式发行新币,把比特币分散给个人,实现了相对公平。

    PoW机制缺点:对能源的直接消耗,与人类追求节能、清洁、环保的理念相悖。算力集中越来越明显,这与去中心化的方向背道而驰。比特币区块奖励每4年将减半,当挖矿的成本高于挖矿收益时,人们挖矿的积极性降低,会有大量算力减少,比特币网络的安全性进一步堪忧。

    算力竞争流程

    PoW应用:Bitcoin比特币、Ethereum以太坊、Litecoin莱特币、Dogecoin狗狗币

    2. PoS

    PoS(Proof of Stake):权益证明机制

    在PoS共识中,节点争夺记账权依靠的不是算力而是权益(代币)。PoS同样需要计算哈希值,但与PoW不同的是不需要持续暴力计算寻找nonce值,由系统中具有最高权益而非最高算力的节点获得区块的记账权。权益体现为节点对特定数量货币的所有权,称为币龄。币龄是区块链一个重要的概念。

    币龄 = 每笔交易的金额(币) * 这笔交易在账上留存的时间(天)

    PoS权益证明机制在2013年被提出并首次应用在Peercoin系统中,目的是解决资源浪费的问题。

    PoS实施流程:

    PoS机制优点:每个节点在每一轮共识中只需要计算一次Hash,当拥有的权益越多,满足Hash目标的机会越大,获得记账权的机会越大。可以说,PoS是一个资源节省的共识协议。

    PoS机制缺点:

    1. 从PoS的实现算法公式看,币龄的计算公式中,假如一开始挖矿只有创世区块中有币,也就是说其他矿机是没法参与挖矿的,因为币的个数这个值对他们来说永远是零,这也就是PoS机制的缺陷之一币无法发行的问题。

    2. 从PoS的实现算法公式可以分析到,币龄其实就是时间,一旦挖矿者囤积一定的币,很久很久之后发起攻击,这样他将很容易拿到记账权,所以我们得给每个币设计一个时间上限

    3. 代币的数量这个因素还是会影响我们拿到记账权,很多挖矿者还会囤积代币,给代币造成流通上的缺陷。目前有些平台引入币龄按时间衰弱的方案来解决这一缺陷(例如:瑞迪币)。

    4. 即使上面的各种缺陷都多少有些解决方案,但例如挖矿者挖一段时间后离线,此时,时间将不纳入币龄减弱计算,这样,挖矿者通过离线时间长来囤积挖矿,同样面临灾难。

    PoS应用:Ethereum以太坊、 Peercoin点点币、 Nxt未来币

    3. DPoS

    DPoS(Delegate Proof of Stake)委托权益证明

    DPoS是由PoS演化而来的。它的原理是让每一个持有比特股的人进行投票,同此产生101位代表,我们可以将其理解为101个超级节点或者矿池,而这101个超级节点彼此的权利是完全相等的。

    DPoS特点:节能,快速出块。

    DPoS应用:EOS、 BitShares、 Steemit、 List、 Ark

    4. PBFT

    PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)拜占庭共识算法,基于消息传递的一致性算法,算法经过三个阶段达成一致性。拜占庭容错能够容纳将近1/3的错误节点误差。也是一种常见的共识证明。它与PoW、PoS、DPoS都不相同,PBFT以计算为基础,没有代币奖励。由链上所有人参与投票,少于(n-1)/ 3 个节点反对时就获得公示信息的权利。

    举个例子:

    下图中,A为发送请求端,0123为服务端,其中3为宕机的服务端

    1. Request阶段:请求端A发送请求到服务端0

    2. Pre-prepare阶段:服务端0收到A的请求后进行广播,扩散至123服务端

    3. Prepare阶段:服务端123收到后记录并再次广播,1->023,  2->013,3因宕机无法广播

    4. Commit阶段:0123节点在Prepare阶段,若收到超过一定数量的相同请求,则进入Commit阶段,广播Commit请求

    5. Reply阶段:0123节点在Commit阶段,若收到超过一定数量的相同请求,则对A进行反馈

    PBFT应用:Hyperledger Fabric、Stellar、Ripple、Dispatch

    PoW、PoS、DPos共识机制优缺点

    共识机制优点缺点
    PoW

    算法简单,容易实现;

    节点间无需交换额外的信息即可达成共识;

    破坏系统需要投入极大的成本;

    浪费能源;

    区块的确认时间难以缩短;

    容易产生分叉,需要等待多个节点确认;

    永远没有最终性,需要检查点机制来弥补最终性;

    PoS资源消耗少

    实现较为复杂;

    中间步骤较多,容易产生安全漏洞;

    网络流量压力大;

    DPos

    资源消耗少;

    网络资源消耗小;

    共识时间短;

    吞吐量高;

    实现较为复杂;

    中间步骤较多,容易产生安全漏洞;

    总结

    1、区块链的特点:去中心化、开放性、独立性、安全性

    2、区块链关键技术:加密技术、分布式存储、共识机制、智能合约

    3、区块链网络层关键技术:P2P网络、传播数据区块、验证数据区块

    4、区块链的网络特点:网络路由、验证区块数据、传播区块数据、发现新节点

    5、数据安全与隐私保护关键技术:时序链、分布式存储、加密技术

    6、共识层关键技术:PoW、PoS、DPoS、POA、PBFT、DBFT等

    7、共识机制解决的2个问题:分布式网络的数据一致性,数据有效性

    8、PoW:工作量证明机制

    9、PoS:权益证明机制

    10、币龄 = 每笔交易的金额(币) * 这笔交易在账上留存的时间(天)

    11、DPoS:授权权益证明机制,是由PoS演化而来

    12、PBFT:实用拜占庭容错共识算法,以计算为基础,没有代币奖励

    13、PoW、PoS、DPos共识机制优缺点比较

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  • 第四章 区块链共识机制1、概述2、工作量证明共识机制2.2 交易优先级2.3 数学难题2.3.1 数学难题2.3.2 动态调整难度2.4 最长链原则2.5 作用2.6 缺点3、其它共识机制3.1 权益证明3.1.1 优点3.1.2 缺点3.2 工作量证明+...
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    作者:Annchain
    该文章由annchain团队原创首发,未经允许不得转载,否则将追究法律责任

    生活中的共识:

    我们是如何达成共识的:
    提出议案——消除分歧——统一认识
    e.g. 今天中午吃什么、家庭决策、总统选举

    中心化的共识 VS 去中心化的共识

    中心化的共识:少数人决定大方向
    优缺点:高效、但由于高度集权,容易导致权利的泛滥,且易被但单点爆破。
    去中心化的共识:大多数人共同参与决策
    优缺点:权利分散,不容易作恶,但是效率很低

    区块链共识:

    在这里插入图片描述

    举个栗子,

    在区块链的世界里,假设在某一时间点,ABCD四人拥有一致的账本。这时,B发起一笔向C转账10元的交易。这笔由B发起的交易会被B广播给网络中的其他人。

    但此时,ACD三人在收到这笔交易后并不会马上写入各自的账本。因为如果各人都只管自己记账,那么就没法保证所有人的账本保持一致。

    在这里插入图片描述

    为了达成账本的顺序一致,就需要一个人来确认这个交易顺序并告知大家,这样的人就被称作 Miner (矿工)。
    Miner 在记账过程中需要做两件事:

    1. 校验收到的交易的合法性
    2. 付出大量的算力来计算找到“数值”值,使得 B 到 C 转账的这笔交易可以写入账本中。

    Miner 将找到的值广播给全网。B 和 C 收到这个广播后验证这个数值是否可行。验证通过后将这笔交易记录在自己的账本上。同样作为 Miner 的 A 在收到这个广播后,意识到已经有人找到这个“数值”了,那么自己继续找下去也不会成为第一个,也就没法得到奖励了。所以他会选择接受并通过这个广播并马上开始争取下一轮的算力竞赛。

    在这里插入图片描述

    以上这些过程走完之后,ABCD 就都完成了对 B → C 这笔交易的记录。

    上述的整个流程让全网的参与人都保持了自己本地账本的同步。这种同步的机制我们便称之为共识。这种矿工参与的挖矿的共识方式我们称作工作量证明(Proof of Work)。
    在这里插入图片描述

    共识的演进

    除了工作量证明,最近几年还演进出了一些其他的共识方式。比如通过权益分配权利权重的权益证明(Proof of Stake),通过持有的权益进行投票选出代表进行决策的代理权益证明(Delegated Proof of Stake),具有1/3容错性的拜占庭容错算法等。有兴趣的可以去查阅资料了解下。

    共识之不可能三角

    现有公链架构在性能上,一般只能满足以下三者中的两个:去中心化、安全性、可扩展性

    在这里插入图片描述

    停下脚步反思一下,我们想要让全网的分布式账本统一,为此我们选择让一个人出块,然后全网都得听他的。在选出这个唯一的出块人之后,我们却被这个“人”所限制住了。

    Annchain在共识上的研究和突破

    如果不选这个“人”、不争夺出块权、不用区块会怎样?

    Annchain技术团队正在寻找一种乱中有序的办法。

    基于DAG(有向无环图),Annchain重新定义了各个节点的交易结构。
    在Annchain的网络中,每笔交易依赖于前一笔交易,除了这样一个链状结构之外,我们还允许交易进行一个并发的广播。这样一来,一个交易很可能会被多个交易进行跟随,慢慢地形成一个不存在回路、却有方向的结构,即上文提到的DAG。

    在这个结构中,

    交易即验证:发送自己的交易前,需要验证两笔其它最新的未被验证的交易。验证完成之后,将自己链接到前置交易后面去一起广播。

    交易即出块:一笔交易就是一个区块,产生每一笔交易都产生一个块,区块之间互相没有依赖关系。

    交易即确认:交易一旦被足够的其他交易跟随,该交易即得到事实上的认可。

    交易即共识:可以达成异步的共识,所有节点对于图的认知最终会逐渐走向一致。

    这样做突破了区块链的架构桎梏,使得Annchain具有高扩展性,支持异步通讯,同时降低了交易成本。Annchain性能提高的背后,对接入物联网等区块链落地应用更加环境友好,未来大规模的区块链落地运用,需要一个更轻更快的整体架构。

    Annchain众安链)是由众安科技和众安-复旦区块链与信息安全联合实验室自主研发,国内首个基于DAG架构并支持智能合约的高性能通用区块链平台。作为工信部指导的中国区块链技术和产业发展论坛两大开源项目之一,Annchain立足于中国,致力于助力中国抢占区块链全球话语权。

    Annchain专注于易用、高效、安全和隐私等关键特性,兼具模块化和高度可定制的特点。目前已在数十家生态伙伴的商业场景中落地,场景涵盖农业溯源、珠宝溯源、资产通证化、公益、医疗数据共享、广告分发平台等。开发者可基于Annchain高效构建适合自身的区块链应用,期待更多伙伴加入我们一起探索新应用。

    众安科技

    众安信息技术服务有限公司(简称“众安科技”)成立于2016年11月2日,是由蚂蚁金服、腾讯、中国平安发起设立的众安保险旗下的全资科技子公司,专注于区块链、人工智能、密码学、物联网等前沿技术研究。众安科技汇聚了行业内的顶尖科研人才,其中区块链团队规模近200人,多数来自于各顶尖区块链团队。

    众安-复旦区块链与信息安全联合实验室

    众安-复旦区块链与信息安全联合实验室是国内首个高校与企业联合组建的专一区块链实验室,专注于区块链相关技术的底层理论研究。同时,实验室联合复旦大学、上海众人信息技术有限公司成立了上海区块链工程研究中心。中心伴随构建长效的产学研用合作机制的同时,支撑开展增强的密码学能力,高性能区块链(如Annchain)等,为行业提供示范。

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区块链的共识机制

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