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  • 常见区块链共识问题

    2021-01-26 20:39:08
    共识机制是为了解决拜占庭将军问题提出的,它是区块链的核心。也就是就某件事或某个交易,在分布式,互不信任的环境中,各参与者之间达成一致的过程。 共识机制的目标是什么? 共识机制的目标有两点: a) 一致...

    什么是共识机制?

    共识机制是为了解决拜占庭将军问题提出的,它是区块链的核心。也就是就某件事或某个交易,在分布式,互不信任的环境中,各参与者之间达成一致的过程。

     

    共识机制的目标是什么?

    共识机制的目标有两点:

    a) 一致性:所有诚实节点保存的区块链的前缀部分完全相同。

    b) 有效性:由某诚实节点发布的信息终将被其他所有诚实节点记录在自己的区块链中。

     

    区块链目前主要有哪些共识机制?

    区块链目前主要的共识机制有:

    a) POW(Proof of Work)工作量证明;

    b) POS (Proof of Stake) 权益证明机制;

    c) DPoS (Delegated Proof of Stake) 委托权益证明机制;

    d) PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance) 实用拜占庭容错;

    e) DBFT (Delegated BFT) 授权拜占庭容错算法。

     

    几种区块链平台目前都使用什么共识机制?

    目前主要区块链平台使用以下共识机制:

    a) 比特币:工作量证明(POW);

    b) 以太坊: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;

    c) Hyperledger:可插拔设计,主要有 Solo, Kafka, PBFT等,可根据需要选择。

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  • 区块链共识:这是我试图列出所有可能的区块链共识的尝试,我欢迎区块链社区的拉动请求! 让它成为区块链共识的主要参考
  • 文章出处:... 区块链共识算法知多少?(POW、POS、DPOS、PBFT区块链共识算法) ...POW、POS、DPOS、PBFT区块链共识算法区块链区块链是一种去中心化的分布式账本系统,它可...

    文章出处:http://www.tanjiaoyi.com/article-23783-1.html

    来源: 拓朴区块链
    区块链 共识算法 
    POW、POS、DPOS、PBFT区块链共识算法

    区块链

    区块链是一种去中心化的分布式账本系统,它可以用于登记和发行数字化资产、产权凭证、积分等,并以点对点的方式进行转账、支付和交易。区块链系统与传统的中心化账本系统相比,具有完全公开、不可篡改、防止多重支付等优点,并且不依赖于任何的可信 第三方

    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一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”。

    在区块链这样一个分布式数据库中,保障整个系统的安全性和适应性是非常重要的,这也是共识算法出现的根本原因,那么在区块链中有多少种共识算法呢?

    1
    POW:Proof of Work,工作量证明

    POW工作量证明是比特币在Block的生成过程中使用的,可以说是最原始的区块链共识算法了。POW算法不难理解,就是通过工作量的大小来统计数据,比如一块矿石含铁量有5%,那么你要得到数量为5的铁时,就需要100个这样的矿石。你的铁越多就说明你用于提炼铁矿石越多。你的铁越多,这个证明就越可靠。

    据一个简单的例子,选举投票画“正”字方法,“正”字越多就说明你在选民中的选票越高,你更容易选中或排名靠前。比如有三个“正”以上的的可以晋级,那么超过三个“正”字的全部都可以晋级。

    再比如有个在美国待了10年的中国人,回来之后几乎不用对他英语进行考察,因为他在美国待了10年,我们相信他英文是肯定没有 问题的。也就是说他在美国的这10年大多数是用英文交流的,他已经投入了足够的工作量。这个工作量与他的英文熟练程度是成正相关的。

    考英语六级为什么要做很多题目的原理也是这样,是一种工作量的证明,只有多做题,工作量才会提升,通过六级的概率才会大,反过来看,如果他有英语过了8级,那么我们相信他有英语8级的实力。

    当然,POW算法也应用于我们生活中的其他场合,比如格斗类游戏和FPS类游戏的K/D比和胜率,越高就说明你越强。


    2
    POS:Proof of Stake,股权证明

    PPC是从中本聪所创造的BTC衍生出来的一种P2P的电子密码货币,以股权证明(Proof of Stake,以下简称POS)取代工作量证明(Proof of Work,以下简称POW)来维护网络安全。POS实际上可以取代POW的大部分功能。这主要是因为,和工作量证明POW一样,POS权益证明也不可能被轻易伪造。当然,这也是货币系统中的一个关键特性-防止伪造。从哲学角度而言,货币在过去就是一种“工作量证明”,因此其本身可以代替工作量的证明。

    在这里我们需要引入一个概念:币龄。

    至少早在 2010年,中本聪就在BTC设计中提出并使用了币龄这一概念,用于给交易排出优先次序,但这个概念在其安全模式中没有起来很重要的作用。币龄只是简单地定义为货币的持有时间段。简单举例说明一下:如果A从B那里收到了10个币,并且持有30天,那么A就收集到了300币天的币龄。

    如果A使用了从B收到的这10个币,我们就认为A从这10个币上积累的币龄被消耗(销毁)了。

    为简化币龄的计算,我们为每个交易引入了时间戳的概念。区块时间戳及交易时间戳相关联的协议得以强化,以便确定对币龄的运算。

    这有点像我们现在放在银行法币里面的利息,在交易中,区块持有人可以消耗他的币龄获得利息,同时获得为网络产生一个区块和用POS造币的优先权。

    由此POS区块的产生具有随机性,这一过程与POW相似。但有一个重要的区别在于,(POS)随机散列运算是在一个有限制的空间里完成的(具体来说为1 hash/未消费钱包的输出*秒),而不是象POW那样在无限制的空间里寻找,因此无需大量的能源消耗。

    3
    DPoS–Delegated Proof of Stake授权权益证明

    又称受托人机制,它的原理是让每一个持有比特股的人进行投票,由此产生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。

    由于使用了去中心化的投票机制,DPoS相比其他的系统更加民主化。DPoS并没有完全去除对于信任的要求,代表整个网络对区块进行签名的被信任主体在保护机制下确保行为正确而没有偏见。另外,每个被签名的区块都有先前区块被可信任节点签名的证明。DPoS消除了交易需要等待一定数量区块被非信任节点验证的时间消耗。通过减少确认的要求,DPoS算法大大提高了交易的速度。通过信任少量的诚信节点,可以去除区块签名过程中不必要的步骤。

    DPOS引人注目的安全性来自于其选择块生产者和验证节点质量的算法。运用赞成投票的过程可以确保一个人即使拥有50%的有效投票权也不能独自挑选哪怕一个生产者。DPOS旨在优化拥有强壮网络连接的诚实节点100%参与(共识过程)的名义条件。这使得DPOS有能力在平均只有1.5秒的时间内以99.9%的确定性确认交易,同时以优雅和可检测的方式降级 – 从降级中恢复正常也不过是小事一桩。

    4
    PBFT–Practical Byzantine FaultTolerance实用拜占庭容错

    PBFT是Practical Byzantine Fault Tolerance的缩写,意为实用拜占庭容错算法。该算法是Miguel Castro (卡斯特罗)和Barbara Liskov(利斯科夫)在1999年提出来的,解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题,将算法复杂度由指数级降低到多项式级,使得拜占庭容错算法在实际系统应用中变得可行。

    PBFT能够保证活性和安全性(liveness & safety)的前提下提供了(n-1)/3的容错性。在分布式计算上,不同的计算机透过讯息交换,尝试达成共识。拜占庭将军问题就根据错误计算机的数量,寻找可能的解决办法,这无法找到一个绝对的答案,但只可以用来验证一个机制的有效程度。

    而拜占庭问题的可能解决方法为:

    在 N ≥ 3F + 1 的情况下一致性是可能解决。其中,N为计算机总数,F为有问题计算机总数。信息在计算机间互相交换后,各计算机列出所有得到的信息,以大多数的结果作为解决办法。

    小蚁采用的dBFT机制,是由权益来选出记账人,然后记账人之间通过拜占庭容错算法来达成共识。

    此算法由小蚁独创,在PBFT基础上进行了以下改进:

    将C/S架构的请求响应模式,改进为适合P2P网络的对等节点模式;

    将静态的共识参与节点改进为可动态进入、退出的动态共识参与节点;

    为共识参与节点的产生设计了一套基于持有权益比例的投票机制,通过投票决定共识参与节点(记账节点);

    在区块链中引入数字证书,解决了投票中对记账节点真实身份的 认证问题。

    上述是目前主要的区块链共识算法,当然还有其他的算法,比如PoET–Proof of Elapsed Time流逝时间量证明等。这几种算法大多是按该共识算法从诞生到热门的顺序来定的,无论是技术上,还是业务上,每种算法都在特定的时间段中有各自的考虑和意义。优缺点当然各有千秋。共识算法的选择主要与应用场景高度相关。网上也有很多这样的帖子,日后有时间我也会大家一同分享。
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  • 区块链共识机制综述

    2018-12-12 13:56:33
    区块链共识机制综述,讲了一些主流的共识机制,本文还提到共识机制的特点,未来的发展方向
  • 区块链共识机制大全

    2019-03-25 14:25:16
    区块链的核心优势:去中心化、不可篡改 由于区块链体系中并不存在某个节点永久作为检查点确认的节点,而是每个参与节点都有机会被选举成为该角色。而具体使用哪种算法,比如 ...则是区块链共识算法需要回答的问题
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  • 区块链共识机制及优缺点

    千次阅读 2019-01-02 14:22:22
    区块链共识算法

    区块链共识算法

    什么是“共识”

    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一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”。

    区块链去中心化的特性决定了:没有一个中心化组织确认每一笔交易的正确与否、可否进行。
    所谓“共识”,是各个节点在短时间内对交易的验证和确认。

    主要的共识算法

    1.Pow工作量证明

    工作量证明也就是常说的挖矿,通过运算计算出满足规则的随机数(nonce),即可获得本次记账权,发出本轮需要记录的数据,全网其它节点验证后一起存储。
    工作量证明要求节点参与者执行计算密集型的任务,但对于其它网络参与者来说易于验证。
    优点:

    • 完全去中心化,节点自由进出

    缺点:

    • 目前bitcoin已经吸引全球大部分的算力,其它再用Pow共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来保障自身的安全;
    • 挖矿造成大量的资源浪费;
    • 共识达成的周期较长,不适合商业应用

    2.Pos权益证明

    Pow的一种升级共识机制;根据每个节点所占代币的比例和时间;等比例的降低挖矿难度,从而加快找随机数的速度。在所有的实施方案中,权益证明要求所有的参与者抵押一部分他们所拥有的token来验证交易。不同于通过完成复杂计算问题来验证交易,验证者需要通过锁定token来完成交易验证。

    通过锁定代币,如果验证者存在欺诈性交易,那么他们所抵押的token也会被削减。与工作量证明一样,权益证明的细节比这里呈现的要丰富得多。
    优点:

    • 在一定程度上缩短了共识达成的时间

    缺点:

    • 还是需要挖矿,本质上没有解决商业应用的痛点

    3.DPos股份授权证明机制

    在委托权益证明中,不同于权益证明的抵押token来验证交易,而是通过token的持有者投票产生一组交易验证者(超级节点)。

    委托权益证明既是去中心化的,因为网络中的所有参与者都能参与投票选取节点来验证交易,但也是中心化的,因为只有一组交易验证者,这样的好处就是提高交易和验证的速度。
    优点:

    • 大幅缩小参与验证和记账节点的数量,可以达到秒级的共识验证

    缺点:

    • 整个共识机制还是依赖于代币,很多商业应用是不需要代币存在的

    4.Pool验证池

    基于传统的分布式一致性技术,加上数据验证机制;是目前行业链大范围在使用的共识机制
    优点:

    • 不需要代币也可以工作,在成熟的分布式一致性算法(Pasox、Raft)基础上,实现秒级共识验证;

    缺点:

    • 去中心化程度不如bictoin,更适合多方参与的多中心商业模式

    5.Dft拜占庭容错机制

    拜占庭容错机制本质上是一个高度技术性的算法(像其他共识算法一样)。一般来说,加密货币项目所采用的拜占庭容错机制是通过允许将军(节点)分别管理一条链,并在彼此之间共享消息用来确保正确的交易记录和每个节点的诚实性。

    优点:

    • 信任节点由社区共识产生,可扩展性以及低廉的转账费用。

    缺点:

    • 部分中心化

    以上是对区块链世界中使用的一些共识算法的非常快速的概述。总的来说,我们可以区分三种类型的共识:标准工作证明共识;基于投票许可的共识;基于彩票许可的共识。在区块链实现中选择哪种共识取决于网络类型和处理的数据。

    彩票类型更适合大型网络;投票类型更适合较小的网络,并将延迟降至最低。

    参考:
    https://baijiahao.baidu.com/s?id=1616375871982422956&wfr=spider&for=pc

    https://baijiahao.baidu.com/s?id=1611687187235044523&wfr=spider&for=pc

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  • 2017年发表的高质量区块链共识英文论文合集!用心收集和整理的~想要研究共识方面的小伙伴值得一看!
  • 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+...
  • 区块链共识机制

    2018-09-18 23:22:16
    阅读大概需要6分钟 ...共识机制在区块链技术中起到什么样的作用?它的原理是什么?如果大家对招聘网站关于“区块链技术开发”的招聘职位有关注的话,细心就会发现基本上每个企业的岗位需求都会有提到以下...

     

    阅读大概需要6分钟

    前言

    在前两篇文章中已经大概谈了一下区块链的行业动态、基本概念和架构,以及不同区块链版本的区别,相信大家对整个区块链技术已经有了整体认识。接下来的文章中我将跟大家谈一下共识机制,什么是共识机制?共识机制在区块链技术中起到什么样的作用?它的原理是什么?如果大家对招聘网站关于“区块链技术开发”的招聘职位有关注的话,细心就会发现基本上每个企业的岗位需求都会有提到以下的内容的第三点。

    因此共识机制是区块链技术的核心之一。

    在一个区块链系统中,共识机制设计得好与坏直接决定了系统的运行效率、工作成本、以及它的安全性,也直接决定了这个区块链系统存在的价值,所以共识机制的设计不容忽视。

     

    什么是共识机制?

    • 从字眼上理解

    “共识” 是指在一定的组织群体中相互之间对某一件事物的看法、认知、价值取向是一致的。

    “机制” 是指一个组织群体为促成某一笔交易所采用的一种规则。

    • 现实中理解

    举个例子:现企业需要选举出新的领导班子成员,目前有两种不同的选举方案:1,允许全公司所有员工参与,每人实名投票;2,只允许公司所有组长以上的管理人员参与投票;前者参与度100%,这代表着参与度越高,达成共识就越分散,其效率就越低,但满意度越高;后者参与度只有百分之几,参与度越低,达成共识就越集中,效率也就越高,但容易出现独裁和不公平现象。这两种方案就是共识的理解,至于选择那个方案,那就是共识机制的采纳。

    • 从区块链技术中理解

    区块链中的共识机制:区块链是基于去中心化、分布式储存、点对点网络的系统结构,每个获得记账权的节点需要在很短的时间内完成对交易的验证和确认,并且每个节点需要共同来维护同一份账本,以确保账本的完整性,这中间就得需要考虑账本数据的同步性问题,那个节点允许写入?那个时间点才能写?其它节点如何同步新交易的数据?如何确保不被其它节点同时被更改?这就是区块链技术中需要定义的共识机制。区块链中的共识机制需要解决两个问题:1. (记账权问题)允许谁能获得记账权,且每次只允许一个人来记账,2. (账本一致性问题)如何确保各个节点之间账本的一致性,以及数据的同步性。

     

    区块链常用的共识机制

    下面主要谈一下目前最常用的几种共识机制及它的优缺点。

    • 工作量证明(PoW)

    PoW(Proof of Work)工作量证明: 也称为挖矿,它是需要完成一定的工作量(Hash计算)来证明获取记账权。它是最早应用在区块链技术上的共识机制,也是区块链应用领域使用最为广泛、最为成熟的共识机制。比特币区块链系统就是使用PoW共识机制。

    工作原理:

    基于PoW构建的区块链网络,首先确定一个工作量的难度系数(简单来说其实就是Hash数值中前面0的个数)(如下图所示),然后由各个节点通过循环递增Nonce(随机数)+ block_header(区块头信息)来计算Hash数值,直到计算得到的Hash数值满足工作量的难度系数后才证明该节点是否获得本次交易区块打包的记账权,这计算的过程需要花费一定的时间和算力,反映了该节点的运算能力,运算力强的节点获得记账权的概率也就越高。 目前在比特币系统中工作难度大概是以每 10 分钟出 1 个新块。

    简单理解四步曲:

    Looping (循环){

    1. 准备数据

    2. 通过SHA256 对数据进行Hash

    3. 将Hash转成大整数(big.Int)

    4. 将大整数与难度系数目标值比较。

    }

    公式表达: 

    SHA256 ( Nonce + block_header ) <  Max_Difficult_value

    优点:1, 完全去中心化;2, 节点自由进出,有利于节点网络扩大;3, 用户的参与度与信任度高,对于用户来说实现真正的公平,公正竞争。

    缺点:最大缺点就是造成的资源浪费,为了争夺记账权需要不停地循环计算哈希值,而且达成共识的周期过长,导致产生新区块效率比较低,大概每10分钟才产生一个新区块,这不适于商业应用。

     

    • 权益证明机制(PoS)

    PoS(Proof of Stake)权益证明机制:在2012年,由加密货币点点币(Peercoin)的创始人Sunny King 为了解决PoW中资源浪费的缺点而提出的新的共识概念,他在基于比特币PoW的框架基础上实现了新的共识机制PoS,并最初被应用在点点币区块链系统上。

    工作原理:

    PoW是通过计算工作量来获得记账权,而在PoS中即转变为资本证明,它根据每个节点所拥有代币数量的比例和持币时间来通过算法按等比例地降低节点的挖矿难度,从而提高了寻找满足难度随机数的效率,缩短达成共识所需的时间,因此拥有的币的时间越久和数量越多,它获得的记账的概率就越大。类似于企业的股东制,占有股份多的,它拥有的决策权就越重。

    PoS仍然需要网络中的节点进行PoW挖矿运算,因此,PoS机制并没有从根本上解决PoW机制难以应用于商业领域的问题。

    公式表达: 

    SHA256 ( Nonce + block_header ) <  Max_Difficult_value * CoinAge(CoinNum)

    优点:比起PoW减少大量算力和电费,同时大大缩减了达成共识的时间。

    缺点:由于持币时间长,数据多的节点容易获得记账权,相当于降低了节点的参与度,达成共识就越集中,虽然效率提高了,但也容易出现部分独裁现象,显失公平性。另外其实它本质上也是需要通过节点进行挖矿运算。

     

    • 授权股权证明机制 (DPoS)

    DPoS(Delegated Proof of stake):由BM(GitHub称 ByteMaster)真名为Daniel Larimer 提出的并应用在比特股区块链系统上,接着也被应用在最新的Steemit、EOS公链项目中,目前来讲是比较流行的一种共识机制。DPoS它是PoS的一个扩展机制,它是主要是为了解决PoW机制和PoS机制存在的问题,目的是为了提高性能,降低交易的时间。

    工作原理

    DPoS共识算法中的记账权节点将原来自由进出、人人可参与的记账方式转化为指定某一部分节点来进行。首先由全网节点投票产生见证人,见证人也是记账节点的实际控制人,至于允许多少节点有参与记账权,这取决于系统的设计,当记账节点完成打包交易的同时也可以获取区块的gas 奖励和交易的手续费,并且也可以执行社区投票提案,所以DPoS不只是一种共识算法,它也包含了协作治理关系的共识机制。DPoS为了提高交易的效率,过滤无效交易,一般情况下,所有记账节点轮流每3秒就产生一个区块,当轮到某个记账节点出块时,必须在2秒内提交区块。

    举个例子:假设一个班(区块链系统)有50人,一开始从50人中投票选出5位班干部(小红,小青,小白,小黑,小黄)来行使记账权力,然后在记账过程中,按顺序每位班干部有两秒的时间来做记账,如果在规定的时间内某位班干记账失败,即直接把记账权交到下一位班干部手中,因此在整个班上所有记账都只能在这5位班干部中开展,其它人成员无法参与记账。

    优点:大幅缩减了参与验证和记账的数量,提高交易吞吐量,减少交易验证达成共识时间。

    缺点:记账权被掌握在少数被指定的节点上,参与度太低,缺乏一定的代表性,显失公平。

     

    • 拜占庭容错(PBFT)

    PBFT(Byzantine failures)是由莱斯利·兰伯特提出的点对点通信中的基本问题,分布式系统共同维护一个状态,各节点采取的行动一致,各节点消息响应要一致。目前主要应用于Hyperledgle Fabirc 区块链系统中。

    拜占庭将军问题,要满足以下两个条件:

    1. 每个忠诚的将军必须收到相同的命令值vi(vi是第i个将军的命令)。

    2. 如果第i个将军是忠诚的,那么他发送的命令和每个忠诚将军收到的vi相同。

    因此拜占庭容错系统是一个拥有n台节点的系统,整个系统对于每一个请求,满足以下条件:

    1. 所有非拜占庭节点使用相同的输入信息,产生同样的结果;

    2. 如果输入的信息正确,那么所有非拜占庭节点必须接收这个信息,并计算相应的结果,只要有一个节点计算机不正确,都不能达成共识。

    算法流程

    请求 ---> 序号分配 —> 交互 —> 响应 

    1. 客户端发出请求;

    2. 主节点收到请求后,启动协议向各节点发出广播,然后执行序号分配、交互消息、序号确认并响应广播消息;

    3. 客户端收到来自不同节点的响应,如果m+1的节点响应消息相同,即达成共识。

     

     

    对比以上几种最常用的共识算法,各有利弊,但它们的诞生都围绕着这几个维度考虑:安全性、扩展性、性能效率、资源消耗。

     

    小结

    本篇主要讲了共识机制的概念和它的作用,以及它的运行原理,还介绍了当前最常见的几种共识机制以及它们的优缺点。

     

     

     

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  • 区块链共识机制浅谈

    千次阅读 2018-02-28 08:56:34
    区块链解决了在不可信信道上传输可信信息、价值转移的问题,而共识机制解决了区块链如何在分布式场景下达成一致性的问题。所以我认为区块链的伟大之处就是它的共识机制在去中心化的思想上解决了节点间互相信任的问题...

空空如也

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区块链共识问题