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  • 区块链共识机制的深入浅出 国内外当下主流区块链平台共识机制纵向、横向比较 区块链共识机制的深入浅出 1、区块链核心技术之CM 国内外当下主流区块链平台共识机制纵向、横向比较 1、主流区块链平台...

    BC之CM:区块链之共识机制——深入浅出以及国内外当下主流区块链平台共识机制纵向、横向比较相关配图

     

     

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    区块链共识机制的深入浅出

    国内外当下主流区块链平台共识机制纵向、横向比较


     

     

    区块链共识机制的深入浅出

    1、区块链核心技术之CM

     

     

    国内外当下主流区块链平台共识机制纵向、横向比较

    1、主流区块链平台性能对比测试

    2、币圈生态采用共识机制算法一览

     

     

     

     

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  • 区块链系统中,特定的共识算法用于解决去中心化多方互信的问题。 其实简单理解就是达成一致。现实生活中很多场景是需要达成一致的。区块链系统中,每个节点必须让自己的账本和其他节点的账本保持一致。而中心化...

    共识算法是什么?

    共识机制就是用来解决分布式系统的一致性问题,其核心为在某个协议(共识算法)保障下,在有限的时间内,使得指定操作在分布式网络中是一致的、被承认的、不可篡改的。在区块链系统中,特定的共识算法用于解决去中心化多方互信的问题。

    其实简单理解就是达成一致。现实生活中很多场景是需要达成一致的。区块链系统中,每个节点必须让自己的账本和其他节点的账本保持一致。而中心化世界里,这几乎不可能,因为有一个中心服务器存在。

    共识算法有几类?

    在区块链系统中,共识算法则通过经济利益的博弈,来鼓励对系统的贡献及提高不可信节点的作恶成本。常用算法如PoW、PoS、DPoS等,不同的算法,其实就是不同的游戏玩法。
    在这里插入图片描述
    PoW(Proof of Work,工作量证明)—主要代表:比特币所谓的比特币挖矿就是通过计算符合某一个比特币区块头的哈希散列值争夺记账权。这个过程需要通过大量的计算实现,简单理解就是你进行的计算量大(工作量大),你就有大概率获得记账权。包括:Bitcoin,Ethereum,Litecoin,Zcash。优点:随机性、公平性好;缺点:耗能。

    PoS(Proof of Stake,权益证明)—主要代表:点点币简单理解就是根据资产的多寡分配获取记账权的概率,类似股份公司中的股东。包括:Ethereum-PoS,Tendermint,Algorand,EOS DPoS,DFINITY,VBFT。优点:攻击更昂贵,性能效率高;缺点:权利集中。

    DPoS(Delegate Proof of Stake,委托权益证明)—主要代表:EOSPoS的改进,通过社区选举产生记账者,类似股份公司中的董事会。如:Steemit, EOS, bitshare优点:廉价的交易,可伸缩的;缺点:目前部分集中。

    为适应不同的应用场景,区块链共识机制的研究集中于优化系统的可扩展性、运行效率、容错性等方面。在新兴的区块链方案中,会将各种共识机制结合使用,例如在分层/分片方案中,最上层的主链使用PoW机制以确保全局共识的有效性并用来对抗女巫攻击,而在相对小范围的分片中,使用PoS或者BFT算法来实现更高效率的共识。典型的案例包括未来引入基于校验器管理和约分片方案的以太坊以及Zilliqa等。尽管这些方案尚未落地验证,但他们代表了未来区块链设计的趋势。

    共识算法发展历程:

    从历史上看,共识算法起源于多处理器计算的研究;它们解决的是处理器可能出现故障(即变得无响应)时的全局状态问题。在这些情况下通信是同步的,即受一些已知的时间上限。

    后来,随着电信和计算机网络的发展,出现了另外两个问题:未知的通信延迟和对手的存在。前者导致了部分新的研究同步和异步共识算法和创建算法可以容忍任意代理行为(拜占庭行为)——即所谓的拜占庭容错算法(或BFT共识)。

    随着互联网的广泛应用,对手的问题变得更加严重。如果在多处理器环境或电信基础设施中可以识别每个代理,那么在Internet的许多情况下就不能这样做。因此,出现了一种新的公共(或无许可)共识,共识算法必须成为一种协议,其中嵌入了识别和排除拜占庭式代理的规则和程序——就像一些附带机制降低了此类代理进一步参与协议的经济能力一样。这种制度以POW 和POS的名义引起了公众的注意。我们将以经济激励(BFT- ei)命名这些协议。在许多情况下,异步性和无许可性要求牺牲其他共识品质,比如决定论或适用于领导人选举场景的能力。

    共识算法应用:

    通常,共识算法用于解决以下问题:

    · 领袖选举(在所有共识参与者中选择代理人,有权更新系统的全球状态)
    · 原子交换(不能根据事件的内部属性确定其顺序事件的确切顺序)
    · 状态复制(维护所有或大多数代理共享的全局状态)
    在这里插入图片描述
    总体来说,主流共识算法逐渐由PoW转向PoS共识算法,出现POW和POS混合的趋势,POW的公平性和POS的效率得到融合补充。但即便是每种加密货币背后都有一种伟大的共识算法,没有一种共识算法是完美的,各有优缺点。随着区块链项目越来越多,而共识算法也会不断改进。江辉晟兴网络科技科技是一家专业的区块链研发公司,提供区块链整体解决方案,使用当下流行的区块链技术,真正实现区块链开发。作为一家专业的系统开发公司,我们已经有5年的系统开发经验,区块链开发也有两年的时间了,有非常成熟的开发经验,同时也在时刻提升着我们的技术和服务质量,大程度地解决客户的需求。如果您有区块链系统开发、区块链技术研发、区块链各种系统开发、区块链结算系统开发、区块链APP开发、区块链游戏开发、区块链商城开发、区块链交易系统开发、区块链解决方案、区块链项目开发、区块链金融系统开发、区块链商业模式系统开发、区块链支付、区块链应用开发等需求的可以联系我。《实体技术公司、随时欢迎考察》加粗样式

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  • 在总结当前区块链共识算法的基础,分析其对物联网区块链的适用性,介绍了几大物联网区块链平台及共识机制应用现状,并阐述了针对物联网区块链的共识机制优化研究进展。最后展望物联网区块链的优化技术,总结有潜力...
  • 区块链共识机制

    2019-09-16 17:54:12
    区块链系统中没有像银行一样的中心化机构,所以在进行传输信息、价值转移时,共识机制解决并保证每一笔交易在所有记帐节点的一致性和正确性问题。区块链的这种新的共识机制使其在不依靠中心化组织的情况下,依然...

    什么是共识机制:共识可简单理解为,不同群体所寻求的共同的认识、价值、想法等,在某一方面达成的一致意见。共识机制就是确定达成某种共识和维护共识的方式。

    一、区块链的共识机制:

    在区块链系统中没有像银行一样的中心化机构,所以在进行传输信息、价值转移时,共识机制解决并保证每一笔交易在所有记帐节点上的一致性和正确性问题。区块链的这种新的共识机制使其在不依靠中心化组织的情况下,依然大规模高效协作完成运转。

    除了密码学技术外,共识机制也是区块链必要元素及核心部分,是保障区块链系统不断运行的关键。

    在区块链网络中,由于应用场景的不同,所以采用了不同的共识算法。目前区块链的共识机制主要有四类:1.工作量证明机制pow2.权益证明机制pos、3.委托权益证明Dpos、4.验证池共识机制pool

    1.工作量证明(Proof of Work,简称POW):

    可简单理解为一份证明,证明你做过一定量的工作。通过查看工作结果,就能知道你完成了指定量的工作。区块链共识算法用的最多的就是POW。比特币和以太坊都是基于POW的共识机制。

    例:比特币在区块的生成过程中使用的就是POW机制,简单理解就是大家共同争夺记账权利,谁先抢到并正确完成记账工作,谁就得到系统的奖励,奖励为比特币,也就是所谓的“挖矿”。矿工(参与挖矿的人)通过计算机的算力去完成这个记账工作,这个拥有计算能力的专业计算机就是所谓的“矿机”。

    优点:

    ①完全去中心化,节点自由进出,避免了建立和维护中心化信用机构的成本。

    ②只要网络破坏者的算力不超过全网总算力的50%,网络的交易状态就能达成一致,并不可篡改历史记录。

    ③投入越多算力,获得记账权概率越大,越有可能产生新的区块奖励。

    缺点:

    ①目前比特币挖矿造成大量的算力和能源浪费。

    ②挖矿的激励机制也造成挖矿算力的高度集中

    ③结算周期长,每秒最多结算7笔交易,不适合商业应用。

     

    2.权益证明(Proof of Stake,简称POS):

    通过持有Token(代币)的数量和时长来决定你获得记账的机率,类似于股票的分红制度,持有股权越多的人就能够获得更多的分红。Token相当于区块链系统的权益。目前有很多数字资产用pow发行新币。

    优点:

    ①降低了PoW机制的资源浪费。

    ②加快了运算速度,也可以理解为工作量证明的升级版

    缺点

    ①拥有币龄越长的节点获得记账权的几率越大,容易导致马太效应,富者越富,权益会越来越集中,从而失去公正性。

     

    3.委托权益证明(Delegated Proof of Stake,简称DPOS):

    是基于POS衍生出的更专业的解决方案,类似于董事会投票,指拥有Token的人投票给固定的节点,选举若干代理人,由代理人负责验证和记账。不同于POW和POS的全网都可以参与记账竞争,DPOS的记账节点在一定时间段内是确定的。

    为了激励更多人参与竞选,系统会生成少量代币作为奖励。比特股就采用该方式。

    优点:

    相较pow,dpos大幅提高区块链处理数据的能力,甚至可以实现秒到账,同时也大幅降低维护区块链网络安全的费用。

    缺点:

    去中心程度较弱,节点代理是人为选出的,公平性相比POS较低,依赖于代币的增发来维持代理节点的稳定性。

     

    4.验证池共识机制Pool

    这是一种基于传统的分布式一致性技术,加上数据验证的机制,是目前行业链大范围在使用的共识机制;

    优点:不需要依赖代币也可以实现秒级共识验证;

    缺点去中心化程度弱,更适合多方参与的多中心商业模式;

    总结:每一种共识机制都不能同时满足安全、效率、公平。去中心程度越弱,安全性就越低,区块链的速度就越快;去中心化程度越强,安全性就会越高,区块链的速度就会越慢。POW完全去中心化,但运行效率太低。POS提高了效率,但却降低了公平与安全。DPOS有强烈的中心化特性,却在短期内效率最高。目前行业区块链大范围使用Pool共识。

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  • 本文将详细探讨目前主流的区块链共识算法。 共识算法与CAP理论 要探讨共识算法,首先就需要了解计算机中的CAP理论。CAP是由Eric Brewer在2000年PODC会议,提出分布式系统不能同时完全满足三个要求的假设,其中包括...

    区块链主流共识算法分析

    区块链可以概括为一个分布式的高频交易系统,其核心的技术可以总结为四个部分:分布式的数据库,密码学相关理论,共识机制和P2P网络。本文将详细探讨目前主流的区块链共识算法。

    共识算法与CAP理论

    要探讨共识算法,首先就需要了解计算机中的CAP理论。CAP是由Eric Brewer在2000年PODC会议上,提出分布式系统不能同时完全满足三个要求的假设,其中包括以下三个方面:

    • Consistency : 一致性,是指在分布式系统中的所有数据备份,在同一时刻是否具有同样的值。
    • Avaliability :可用性,是指在集群中一部分节点故障后,集群群体是否还能响应客户端的读写请求。
    • Partition tolerance :分区容错性,以实际效果而言,分区相当于对通信的时限要求。系统如果不能在时限内达成数据一致性,就意味着发生了分区的情况,必须就当前操作在C和A之间做出选择。

    和所有的分布式系统一样,区块链共识算法设计也是在权衡上面的三个因素。假设区块链中的节点能够立即确认交易数据,这就满足了CAP理论中的AP,可风险是失去了数据的强一致性,因为其他节点可能丢弃这个区块,因为区块所在的区块链分叉在竞争性的选举中失败了;如果是为了获得强一致性,即满足CP的话,那么客户端应该等待区块链中的大多数节点都接受了这笔交易后才能真正的接收它,这说明了这笔交易所在的分叉已经选举胜利,获得了大部分的共识,获得了强一致性。但是代价却是失去了可用性。

    那么为什么没有CA这种情况呢?首先在分布式环境下,网络分区是一个自然的事实。因为分区是必然的,所以如果舍弃P,意味着要舍弃分布式系统,那这也就没有必要再讨论CAP理论了。所以在上述中,我们以系统在满足P的前提下,探讨了CP和AP两种情况下的得与失。

    主流的共识算法概述

    目前业界主流的区块链共识算法有工作量证明POW,权益证明POS,授权股权证明DPOS,用于Hyperledger的拜占庭算法PBFT等。下面将对这几种共识的典型代表进行讲解。

    工作量证明POW

    工作量证明POW(Proof-of-work)在区块链中最早被提及的是,2008年中本聪的比特币白皮书论文《a peer to peer electronic cash system》,并随后在2009年应用到比特币(Bitcoin)中。该共识算法的设计理念是整个分布式系统的节点中,每个节点为整个系统提供计算能力(简称算力),通过一个竞争机制,让计算工作完成最出色的节点获得系统的奖励,从而完成新生成货币的分配。

    POW工作量证明需要满足三个要素,分别是:

    • 工作量证明函数

      ​ 在比特币中使用的是SHA256函数,是密码哈希函数家族中输出值为256位的哈希算法。

    • 区块

      在区块中会利用到merkle算法,将交易以树的形式进行组合,然后两两进行哈希运算,当为奇数的时候则多算上最后一个交易进行补充。依次进行以叶子节点向根节点的运算,并最终得到根节点的hash值。包含在区块头中。

    • 难度值

      难度值默认是每2016个区块调节一次(大概2周)。

      难度系数 = 期望2016个区块生成所有的时间 / 实际所用的分钟数 = 20160 / 实际所用的分钟数

      如果矿工可以比预期更快的构建区块,比如9分钟出一个块,套用公式:

      难度系数 = (2016 * 10) / (2016 * 9) = 1.11

      每个节点使用这个数值来计算下一个阶段2016区块的难度值:

      Difficulty * 1.11 = new Difficulty

      如果系数大于1(即区块出块速度大于预期),难度值将提高;

      如果系数小于1(即区块出块速度小于预期),难度值降低。

    POW工作量证明的流程如下:

    在这里插入图片描述

    从流程图中可以看出,POW工作量证明的流程主要经历三步:

    • 生成Merkle根哈希
    • 组装区块头
    • 计算出工作量证明的输出

    在这里,我们以伪代码的形式去理解工作量证明的输出:

    i. 工作量证明的输出 = SHA256(SHA256(区块头 + 变更的随机数))
    ii. if (工作量证明的输出 >= 目标值),变更随机数,递归i的逻辑,继续与目标值比对。
    iii. if (工作量证明的输出 >= 目标值),变更随机数,递归i的逻辑,继续与目标值比对。
    

    最后,生成的符合难度的区块,将通过P2P传递到比特币的全网络节点并接收,添加到原有区块链的尾部。

    由此,我们可以看到POW主要是通过CPU的算力来保证全网的共识安全。

    权益证明POS

    POS(Proof of Stake)即权益证明机制,最早出现在点点币的白皮书中,其核心思想是将货币持有人的数目和持有的时间累计作为被选为共识节点的资本。

    POS权益证明的运作主要包含两部分:

    验证

    在整个区块链网络中,参与者会把他们的代币投给他们认为有效的区块,如果他们跟网络中的大部分参与者达成一致,就可以获得和他们代币成正比的奖励;而试图作弊则要冒着失去保证金的风险,例如同时给两个不同的区块投票。

    在POS中,金钱即力量;POS要求参与者将他们的网络代币作为安全保证金,使其与网络利益达成一致,而不是通过消耗电能来加固网络安全。

    下图为验证的过程:

    在这里插入图片描述

    节点之间会通过接收、签名、发送消息来达成区块的共识。这种权益和节点基础设施的组合通常被称作验证者。通过这种方式注册的权益数量决定了相关验证者在共识过程中的影响力、以及验证者因工作而获得的奖励。

    委托

    将自己的代币拖尾给验证者,以换取获得奖励的份额。通常委托人会将代币存放在智能合约之中,指定他们想要委托的验证者。这样当该验证者获得验证奖励的时候,委托人也能获得与其委托代币数量成正比的奖励。整个过程如下:

    在这里插入图片描述

    授权股权证明DPOS

    授权股权证明机制(Delegated Proof of Stake)最早由Daniel Larimer提出,BitShares是第一个提出并采用DPOS的分布式账本。简单来说,DPOS的工作原理类似于董事会投票,给持币者一把可以开启他们所持股份对应的表决权钥匙,而不是给他们一把能够挖矿的铲子。

    DPOS引入了见证人的概念,见证人可以生成区块,每个持股人都可以投票选举见证人。得到总票数前N(通常为101)的候选者,可以当选见证人。见证人的候选者名单每个维护周期(通常为1天)更新一次。

    在BitShares的设计中,利益相关者可以选举一定数量的见证人来生成区块。每个账户允许对见证人投一票,这个投票过程被称为"批准投票"。选择出来的N个见证人被认为是对至少50%的投票利益相关者的代表。每次见证人产生一个区块,见证人将得到一定的出块奖励,如果见证人因为违规来没有生成区块,将不能得到奖励,并且会加入到"黑名单",从而再次成为见证人的机会会大大降低。

    每组被选举出来的见证人的活跃状态在每一个周期将会被更新,随后这组见证人将会被解散。每个见证人给一个2秒的流转机会用来出块,当所有的见证人都流转完成后,该组见证人也会被解散。如果一个见证人在它的时间周期内没有产生区块,它的时间机会将会被错过,下一个见证人将产生下一个区块。任何节点都可以通过观察证人的参与率来监控网络的健康状况。历史上BitShares曾经维持了99%的见证参与。

    所有的见证人会成为特权账户的共同签署者,该账户有权提出对网络参数的更改。这个账户被称为起源账户。这些参数包括从交易费用到块大小,见证支付和出块间隔等。在大多数的见证人批准了一项拟议的变更后,利益相关者将获得2周的审查期间,在此期间,他们可以对代表进行投票,并根据建议变更或者取消。选择这种设计是为了确保代表在技术上不具有直接的权利,所有对网络参数的更改最终都得到利益相关者的批准。在DPOS中,我们可以说,行政的权利是由用户掌握,而不是代表或者证人。

    拜占庭共识机制PBFT

    PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance),意为实用拜占庭容错算法,是目前最常用的BFT算法之一。最早由Miguel Castro和Barbara Liskov在1999年提出,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。

    PBFT算法中主要有以下一些参数的定义:

    • client: 客户端,发出调用请求的实体

    • view:视图,内容为连续的编号

    • replica:网络节点

    • primary:主节点,负责生成消息序列号

    • backup:支撑节点,辅助整体共识过程

    • state:节点状态

    PBFT算法要求整个系统流程要在同一个视图(view)下完成,所有节点采取一致的行动。一个客户端会发送请求

    <REQUEST,o,t,c>给replicas,其中,o表示具体的操作,t表示timestamp,给每一个请求加上时间戳,这样后来的请求会有高于签名的时间戳。Replicas接收到请求后,如果验证通过,他就会将其写入自己的log中。在此请求执行完成后,replicas会返回client一个回复<REPLY,v,t,c,i,r>,其中:

    • v是当前的view序号
    • t是对应请求的时间戳
    • i是replica节点的编号
    • r是执行结果

    每一个replica会与每一个处于active状态的client共享一份密钥。密钥所占据空间较少,加上会限制active client的数量,所以不必担心以后出现的扩展性问题。

    PBFT采用三阶段提交协议来广播请求给replicas,分别是pre-parpare、prepare,commit。pre-prepare阶段和prepare阶段用来把在同一个view里发送的请求排序,然后让各个replicas节点都认可这个序列,照序执行prepare阶段和commit阶段用来确保那些已经达到commit状态的请求,即使在发生视图改变后,在新的view里依然保持原有的序列不变,比如一开始在view 0中有req 0,req 1,req 2三个请求依次进入了commit阶段,假设没有恶意阶段,那么这四个replicas即将要依次执行者三条请求并返回给client。但这时主节点问题导致view change的发生,view 0变成view 1,在新的view里,原本的req 0,req 1,req 2三条请求的序列将被保留。但是处于pre-prepare和prepare阶段的请求在view change发生后,在新的view里都将被遗弃。

    下图是三阶段提交协议的时序图:

    在这里插入图片描述

    小结

    本篇中主要讲解了区块链的主流共识算法,下篇中我们将讲解与区块链相关的密码学理论。敬请期待~

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区块链上的共识