易歡歡:從技術角度看綠色區塊鏈之共識算法

「人物介紹:易歡歡,易選股金融智能證券董事長,互聯網金融千人會秘書長、北京大學校友會互聯網金融專委會秘書長,中國互聯網金融博物館理事。」

易歡歡:從技術角度看綠色區塊鏈之共識算法

傳統的區塊鏈共識算法總體上可以分為三類:基於工作量證明的PoW,基於權益證明的PoS和拜占庭容錯(BA)算法。通俗來說,PoW就是比拼算力的強弱,PoS就是比拼餘額的多少,而拜占庭容錯算法是一種分佈式系統中常用的狀態機副本複製算法,用於同步各個節點的狀態和數據,確保最終一致性。

共識算法的核心問題,就是解決安全、性能和規模的問題。而這三個方面又是不能同時滿足的。對於PoW,滿足安全和規模要求,但性能上,表現為運算開銷大,從而造成整體吞吐量低;PoS性能和規模的要求,但在安全性上存在不足;BA算法的代表之一,pBFT滿足安全和性能的的要求,但不能適應大規模網絡節點環境,當節點規模增大時,網絡開銷問題就會變得非常突出。

比特幣在區塊的生成過程中使用了PoW機制。要得到滿足條件的結果需要經過大量嘗試計算,計算時間取決於機器的哈希運算速度。當節點計算出滿足條件的結果,說明該節點確實經過了大量的嘗試計算,但不能推論出計算次數的絕對值,因為尋找結果本身是一個概率事件,但計算出結果的概率與算力是成正比的,也即當節點擁有佔全網50%的算力時,該節點即有50%的概率找到結果。

PoS就是“股權證明”,即直接證明你持有的份額。通常意義上的PoS共識算法是沒有挖礦過程的,初始的股權分配已經固定,之後只是股權在交易者之中流轉,非常類似於現實世界的股票。股權從創世區塊中流出,被交易者買賣而逐漸分散化。。在現實世界中股權證明很普遍,最簡單的就是股票。股票是用來記錄股權的證明,同時代表著投票權和收益權。股票被創造出來以後,除了增發外,不能增加股權數量,要獲得股票只能轉讓。PoS的新增機制是“利息”,即持有一定的PoS幣一定時間,將獲得一定量的固定“利息”,這部分“利息”是新增的PoS幣。如你持有100個幣,總共持有了30天,那麼,此時你的幣齡就為3000.

易歡歡:從技術角度看綠色區塊鏈之共識算法

pBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance),實用拜占庭容錯算法,是一種狀態機副本複製算法,即服務作為狀態機進行建模,狀態機在分佈式系統的不同節點進行副本複製。每個狀態機的副本都保存了服務的狀態,同時也實現了服務的操作。將所有的副本組成的集合使用大寫字母R表示,使用0到|R|-1的整數表示每一個副本。為了描述方便,假設|R|=3f+1,這裡f是有可能失效的副本的最大個數。儘管可以存在多於3f+1個副本,但是額外的副本除了降低性能之外不能提高可靠性。

為了克服上述經典的算法的不足,工業界和學術界提出了各種各樣的共識算法,但究其本質,大都是以上述算法為基礎進行的擴展和組合。大家熟知的DPoS,這裡的D就是代理或代表的意思,類似於將分散的節點投票權集中託管給少部分節點,由它們來進行集中統一的共識。DPoS極大的提高了共識的性能,並且能適應更大規模網絡節點的要求,但在安全性上存在嚴重不足,因為這些節點客觀上形成了單點故障。在學術界比較知名的 Algorand共識算法,就是將拜占庭容錯算法, 可驗證隨機函數和PoS進行組合而成,以期獲得更高的性能和安全性,並且在大規模網絡節點下也能達到良好的容錯性和高性能共識。

綠色區塊鏈的共識有三種類型:鏈外數據上鍊共識,鏈內資產交易共識和跨鏈資產交易共識。

鏈外數據上鍊共識,即對採集到的環境數據,使用根據方法學和標準化流程形成的智能合約進行數據的共識驗證,確權後上鏈成為有效的環境資產。對於跨鏈共識,分為綠色區塊鏈各子鏈之間的共識和綠色區塊鏈與其它區塊鏈系統之間的共識。

對於上鍊數據的共識,要解決的核心問題即是如何確保驗證流程的標準化,即根據方法學的理論和標準化體系來實施,從而將鏈外線下的驗證過程計算化、合約化、自動化。我們採用DPoD算法(Delegate Proof of DOE),即將鏈外的第三方核准認定機構驗證方法和流程合約化,由綠色驗證節點集群運行DPoD共識算法來對環境數據進行驗證和共識;鏈上交易採用PoWS共識算法,它是一種結合PoW和PoS的混合型共識算法,兼顧算力、安全性和效率。對於普通用戶,特別是移動端用戶,PoWS算法也可以幫助其減少對算力的依賴和能量的消耗,提高普通用戶參與的積極性,隨著普通用戶積累的上鍊資產越多,其共識話語權也會越大,積極性也會越高,形成良性循環。

鏈外數據上鍊和鏈上資產交易共識算法,共同構成了全新的共識引擎 - Distributed Adaptive Consensus Engine (DACE),以實現分場景共識、多種共識算法整合、滿足不同的需求、調動不同用戶的積極性的目的。

綠色區塊鏈的DACE共識框架主要的亮點主要體現在:

  • 綠色節能

共識過程沒有複雜運算,對參與節點的性能要求低,實現高效綠色共識。

  • 參數可調節

自動收集當前網絡情況,動態調整相關參數,獲得最優的系統效率,提升系統整體性能。

  • 兼容多種網絡結構

對於傳統的鏈結構和DAG結構都有很強的適應性。

同時DACE共識框架在安全性也具有良好的表現。對於女巫攻擊,根據參與共識的用戶所持有的通證價值,為其分配權重,組合使用多次局域隨機採樣逐步特徵覆蓋,只要女巫結點擁有的總通證值少於總價值的一半,算法對女巫攻擊就具有絕對的抵抗和免疫力,避免分叉和雙花。

對於共識過程中的節點隨機選擇,使用隨機可計算函數,用戶根據其私鑰計算得知其是否被選擇中,並將結果反饋和廣播給其它用戶,這種隨機選擇的過程是非交互的,攻擊者無法提前知道哪些節點被選擇。在每一輪的共識過程中,被選擇中的節點都是隨機和不同的,這也增加了攻擊的代價和成本。

易歡歡:從技術角度看綠色區塊鏈之共識算法

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