區(qū)塊鏈應(yīng)用技術(shù) 課件 第6章 區(qū)塊鏈共識機(jī)制及應(yīng)用

區(qū)塊鏈共識的概念與特點(diǎn)目錄什么是區(qū)塊鏈共識共識機(jī)制的分類區(qū)塊鏈中常見的共識機(jī)制共識機(jī)制的特點(diǎn)什么是區(qū)塊鏈共識共識機(jī)制是區(qū)塊鏈的核心基石，是區(qū)塊鏈系統(tǒng)安全性的重要保障。區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€去中心化的系統(tǒng)，共識機(jī)制通過數(shù)學(xué)的方式，讓分散在全球各地成千上萬的節(jié)點(diǎn)就區(qū)塊的創(chuàng)建達(dá)成一致的意見。共識機(jī)制中還包含了促使區(qū)塊鏈系統(tǒng)有效運(yùn)轉(zhuǎn)的激勵機(jī)制，是區(qū)塊鏈建立信任的基礎(chǔ)。共識機(jī)制的分類根據(jù)共識算法解決問題的方式，我們可以大致將其分為兩類：驗(yàn)證型共識算法投票型共識算法除了根據(jù)共識的實(shí)現(xiàn)來分類，我們還可以通過對共識機(jī)制是否是拜占庭容錯來進(jìn)行分類。而像PBFT，dPOS,Tendermint等，都是拜占庭容錯。共識機(jī)制的分類區(qū)塊鏈公鏈常用的共識機(jī)制有POW、POS、DPOS、BFT以及多種機(jī)制混合而成的共識機(jī)制等。共識是指系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致的過程，而分布式系統(tǒng)的一致性體現(xiàn)在三個方面:

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最終性(Termination):所有進(jìn)程最終會在有限步數(shù)中結(jié)束并選取一個值,算法不會無盡執(zhí)行下去。

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統(tǒng)一性(Agreement):所有進(jìn)程必須同意同一個值。

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合法性(Validity):輸出內(nèi)容是輸入內(nèi)容按照系統(tǒng)規(guī)則生成的，且輸出內(nèi)容合法。區(qū)塊鏈中常見的共識機(jī)制1.Pow工作量證明2.PoS權(quán)益證明3.DPoS委托權(quán)益證明4.容量證明/空間和時間證明

5.唯一節(jié)點(diǎn)列表(UNL)6.已用時間證明7.權(quán)威證明8.有向無環(huán)圖共識機(jī)制的特點(diǎn)例如：POW共識機(jī)制比特幣采用的POW工作量證明共識機(jī)制，在生成區(qū)塊時，系統(tǒng)讓所有節(jié)點(diǎn)公平地去計(jì)算一個隨機(jī)數(shù)，最先尋找到隨機(jī)數(shù)的節(jié)點(diǎn)即是這個區(qū)塊的生產(chǎn)者，并獲得相應(yīng)的區(qū)塊獎勵。因此，比特幣的POW共識機(jī)制門檻很低，無需中心化權(quán)威的許可，人人都可以參與，并且每一個參與者都無需身份認(rèn)證。共識機(jī)制的特點(diǎn)

POW共識的優(yōu)點(diǎn)可歸納為:算法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)可自由進(jìn)入，去中心化程度高破壞系統(tǒng)需要投入極大的成本，安全性極高節(jié)點(diǎn)間無需交換額外的信息即可達(dá)成共識，整個過程不需要人的參與

為了保證去中心化程度，區(qū)塊的確認(rèn)時間難以縮短沒有最終性共識機(jī)制的特點(diǎn)區(qū)塊鏈的共識機(jī)制具備“少數(shù)服從多數(shù)”以及“人人平等”的特點(diǎn)，“人人平等”是當(dāng)節(jié)點(diǎn)滿足條件時，所有節(jié)點(diǎn)都有權(quán)優(yōu)先提出共識結(jié)果、直接被其他節(jié)點(diǎn)認(rèn)同后并最后有可能成為最終共識結(jié)果。感謝觀看pOW共識——工作量共識目錄概念POW算法原理存在的問題POW工作量證明的三要素POW工作量證明流程POW共識記賬POW的優(yōu)點(diǎn)POW的缺點(diǎn)工作量證明是需要各個節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行一個較難完成但較容易驗(yàn)證的工作來實(shí)現(xiàn)共識。PoW=工作量證明=挖礦比特幣網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算是根據(jù)上一個區(qū)塊的信息來確定出下一個待挖區(qū)塊的目標(biāo)結(jié)果值。比特幣PoW計(jì)算公式如下：概念PoW求解過程中當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有2個或2個以上的節(jié)點(diǎn)在同一區(qū)塊的基礎(chǔ)上算出了哈希，并且都向網(wǎng)絡(luò)中廣播了自己打包的區(qū)塊后，區(qū)塊鏈則可認(rèn)為是產(chǎn)生了分叉，需要確定哪一個才是主鏈，即分叉選擇策略。PoW也在一定程度上避免了女巫攻擊。PoW算法原理（1）“無意義”的能源浪費(fèi)為了獲取“挖礦”收益的節(jié)點(diǎn)會進(jìn)行大量的哈希運(yùn)算。因此，很多人此前在研究如何將POW的計(jì)算內(nèi)容從無意義的哈希運(yùn)算，應(yīng)用于更為實(shí)際的運(yùn)算場景。（2）挖礦相關(guān)的攻擊盡管比特幣的PoW在事實(shí)上較為成功，相較于PoS等共識從實(shí)踐的角度來看更為穩(wěn)健，但不可否認(rèn)的是PoW也存在較多的安全風(fēng)險(xiǎn)需要防控。存在的問題常見的威脅以及相應(yīng)的對策如右側(cè)表所示。POW工作量證明的三要素工作機(jī)制：為了使區(qū)塊鏈交易數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上并在一定時間內(nèi)達(dá)到一致（共識），POW提供了一種思路，即所有區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參與者進(jìn)行競爭記賬。1、工作量證明函數(shù)

在比特幣中使用的是SHA256算法函數(shù)，是密碼哈希函數(shù)家族中輸出值為256位的哈希算法。2、區(qū)塊

區(qū)塊頭在前言中已經(jīng)做詳細(xì)介紹，這里我們就介紹下區(qū)塊體的Merkle樹算法。3、難度值

關(guān)于難度值，我們直接看公式：

新難度值=舊難度值*（過去2016個區(qū)塊花費(fèi)時長/20160分鐘）

tips：難度值是隨網(wǎng)絡(luò)變動的，目的是為了在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，確保每10分鐘能生成一個塊。

新難度值解析：撇開舊難度值，按比特幣理想情況每10分鐘出塊的速度，過去2016個塊的總花費(fèi)接近20160分鐘，這樣，這個值永遠(yuǎn)趨近于1。POW工作量證明流程POW共識記賬前面三部分中講解的是單節(jié)點(diǎn)工作量證明流程，有了這個計(jì)算流程，我們就得將其使用起來，在比特幣平臺中，中本聰就是運(yùn)用的pow工作量證明來使全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)達(dá)到51%及以上的共識記賬，那么POW工作量證明共識是如何記賬的？總結(jié)下來大概有六點(diǎn)。POW的優(yōu)點(diǎn)完全去中心化（任何人都可以加入）；節(jié)點(diǎn)自由進(jìn)出，容易實(shí)現(xiàn)；破壞系統(tǒng)花費(fèi)的成本巨大。POW的缺點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)的性能網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求高；浪費(fèi)資源；每秒鐘最多只能做七筆交易，效率低下；礦場的出現(xiàn)違背了去中心的初衷；不能確保最終一致性；利益驅(qū)動性降低導(dǎo)致曠工數(shù)量減少從而導(dǎo)致比特幣網(wǎng)絡(luò)癱瘓。代碼如下代碼如下感謝觀看POS(權(quán)益證明）目錄權(quán)益證明（POS）Follow-the-Satoshi算法特點(diǎn)缺陷POS的長程攻擊

權(quán)益證明與PoW競爭挖礦造成的能源浪費(fèi)和效率低下不同，PoS一般以節(jié)點(diǎn)投入的通證數(shù)量和持有通證的時間長短來計(jì)算可記賬權(quán)的比率。與PoW投入成本進(jìn)行算力競爭不同，PoS的博弈思想是持有通證數(shù)量越多的人越值得信賴。權(quán)益證明（POS）

POS一并解決了POW浪費(fèi)能源和算力集中兩個痛點(diǎn)，理論上還能縮短了共識時間，但同時也丟棄了POW的某些優(yōu)勢，因此更容易分叉，一筆交易需要等待更多確認(rèn)才能確保安全，而POS最大的問題是其安全性和容錯性還沒有得到嚴(yán)格的數(shù)學(xué)論證。PoS機(jī)制并沒有從根本上解決PoW機(jī)制難以應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域的問題。為了能在純粹PoS機(jī)制下更好的選擇出塊者，Bentov等人提出了Follow-the-Satoshi算法，如下圖。Follow-the-Satoshi算法 POS的通證在整個區(qū)塊鏈體系中更像是以股份或存款的形式而存在：通過質(zhì)押通證來獲得“分紅”或“利息”。這種方式的通證經(jīng)濟(jì)體系會更易于使發(fā)行者，持有者，開發(fā)者等的利益綁在“一條船”上，從而使生態(tài)體系具有較強(qiáng)的生命力和適應(yīng)力。特點(diǎn)缺陷無權(quán)益問題，是用戶在POS中可以同時在兩個分叉上面下注不會受到損失，這樣，無論哪一個分叉后面被認(rèn)為主鏈，該用戶都可以獲得獎勵而沒有機(jī)會成本的損失。解決思路：一、對在同一個區(qū)塊上面進(jìn)行多次下注的，引入一個懲罰機(jī)制。二、無論是否多次下注，“押錯”主鏈的用戶都會受到懲罰。除此之外，還有其他一些解決辦法。例如Peercoin在PoS共識基礎(chǔ)上還綜合使用了PoW來控制提案的發(fā)送，NXT的方式是不引入挖礦機(jī)制，所有的NXT一次性創(chuàng)建在創(chuàng)世區(qū)塊中，通過公式確定未來的區(qū)塊由哪個節(jié)點(diǎn)來生成。在PoS鏈上線的早期，很有可能有一個階段一小部分礦工持有了大部分的通證，那么在未來的某個時候掌握了早期通證的這個或這些人會從鏈的早期開始重新分叉一個新鏈出來實(shí)現(xiàn)雙花，而且這個新鏈的接下來很多區(qū)塊的挖礦收益可能仍然會由這些作惡礦工所掌握。POS的長程攻擊感謝觀看DPOS共識機(jī)制目錄DPOS共識的目標(biāo)兩個原則原理DPOS優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)、特點(diǎn)DPOS爭論：去中心化問題DPOS共識的目標(biāo)DPoS算法是BM根據(jù)當(dāng)時PoW、PoS的不足而改進(jìn)的共識算法，它的目的就是為了提高性能，也就是交易確認(rèn)時間短。兩個原則1、投票選舉過程?定要保證最大權(quán)益所有者最終能控制全網(wǎng)。2、與PoW、PoS?樣，所有節(jié)點(diǎn)僅承認(rèn)“最長”鏈。原理step1.全網(wǎng)持有代幣的人可以通過投票系統(tǒng)選舉出一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)作為區(qū)塊生產(chǎn)者。step2.被選舉的節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作，按照一定的順序，輪流進(jìn)行記賬。所選擇的生產(chǎn)者會根據(jù)從塊時間導(dǎo)出的偽隨機(jī)數(shù)進(jìn)行混合。以便保證出塊者之間的連接盡量平衡。step3.記賬21個區(qū)塊生產(chǎn)者，不僅記賬，還需要提供EOS全鏈所需要的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源。DPOS優(yōu)點(diǎn)1）記賬節(jié)點(diǎn)減少，交易速度更快，EOS號稱可達(dá)百萬TPS；

2）更加安全，一般不不會發(fā)生鏈分叉并不可逆，確保最終一致性；

3）相對PoW，解決了資源消耗問題。DPOS缺點(diǎn)DPOS被普遍質(zhì)疑過于中心化代理記賬節(jié)點(diǎn)選舉過程中存在巨大的人為操作空間。DPOS特點(diǎn)特點(diǎn)：出塊時間超短，效率超高，幾乎不會分叉。DPOS爭論：去中心化問題如果為了提升性能，即一致性的效率，勢必會犧牲其他兩項(xiàng)。這也會引出有關(guān)DPoS的一個爭論：中心化問題。這是DPoS算法的優(yōu)勢，也是DPoS算法的劣勢。很多情況下，投票并不能解決問題。

總結(jié)DPoS共識機(jī)制將“礦池”納入系統(tǒng)內(nèi)部，并把它們統(tǒng)稱為見證節(jié)點(diǎn)?？梢哉J(rèn)為DPoS本身就是帶中心化思路的共識機(jī)制。感謝觀看實(shí)用拜占庭容錯協(xié)議（PBFT）目錄什么是PBFT？拜占庭容錯系統(tǒng)實(shí)用的拜占庭容錯系統(tǒng)PBFT消息傳播過程什么是PBFT？它是基于領(lǐng)導(dǎo)者且非分叉的（不同于彩票式算法）它不支持開放注冊，但是管理員可以添加和刪除節(jié)點(diǎn)它要求完全對等（所有節(jié)點(diǎn)必須連接到所有其他節(jié)點(diǎn)）拜占庭容錯系統(tǒng)1.所有非拜占庭節(jié)點(diǎn)使用相同的輸入信息，產(chǎn)生同樣的結(jié)果；2.如果輸入的信息正確，那么所有非拜占庭節(jié)點(diǎn)必須接收這個信息，并計(jì)算相應(yīng)的結(jié)果。在拜占庭系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中，每個請求還需要滿足兩個指標(biāo)。安全性：任何已經(jīng)完成的請求都不會被更改，它可以在以后請求到；活性：可以接受并且執(zhí)行非拜占庭客戶端的請求，不會被任何因素而導(dǎo)致非拜占庭客戶端的請求不能執(zhí)行。拜占庭系統(tǒng)普遍采用的假設(shè)條件目前來說包括四種。原始的拜占庭容錯系統(tǒng)由于需要展示其理論上的可行性而缺乏實(shí)用性。另外，還需要額外的時鐘同步機(jī)制支持，算法的復(fù)雜度也是隨節(jié)點(diǎn)增加而指數(shù)級增加。實(shí)用的拜占庭容錯系統(tǒng)PBFT是一類狀態(tài)機(jī)拜占庭系統(tǒng)，要求共同維護(hù)一個狀態(tài)，所有節(jié)點(diǎn)采取的行動一致。為此，需要運(yùn)行三類基本協(xié)議。一致性協(xié)議：解決如何達(dá)成共識檢查點(diǎn)協(xié)議：類似于操作系統(tǒng)的還原點(diǎn)視圖更換協(xié)議：系統(tǒng)的每個服務(wù)器節(jié)點(diǎn)