《區(qū)塊鏈：技術(shù)與應(yīng)用》 課件 第四章 共識機制

杜瑋陳潤宇許偉編著第四章共識機制新編21世紀(jì)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)系列教材區(qū)塊鏈：技術(shù)與應(yīng)用共識概述0102經(jīng)典共識算法03共識算法發(fā)展目錄Contents區(qū)塊鏈：技術(shù)與應(yīng)用明確學(xué)習(xí)目標(biāo)理解拜占庭將軍問題和共識機制的提出。掌握經(jīng)典的共識算法的本質(zhì)和設(shè)計理念。了解經(jīng)典共識算法的應(yīng)用場景與優(yōu)缺點。了解共識算法的融合、創(chuàng)新。本章導(dǎo)讀00本章需要掌握的基本概念本章導(dǎo)讀00共識機制拜占庭將軍問題共識層PoW共識PoS共識拜占庭容錯熟悉本章結(jié)構(gòu)與主要內(nèi)容本章導(dǎo)讀00共識的概念共識機制經(jīng)典共識算法共識概述共識算法發(fā)展拜占庭將軍問題PoWPoSDPoSPBFT…共識層共識概述PART0101區(qū)塊鏈：技術(shù)與應(yīng)用共識概述01在分布式系統(tǒng)中，共識就是系統(tǒng)中的多個節(jié)點通過協(xié)商對某個值達(dá)成一致。計算機科學(xué)領(lǐng)域早期的共識研究主要關(guān)注分布式一致性問題，即如何實現(xiàn)分布式系統(tǒng)中所有運行節(jié)點在任意時間保持?jǐn)?shù)據(jù)同步并對某一提案（proposal）達(dá)成一致的效果，這也是分布式系統(tǒng)的根本性問題之一。分布式計算領(lǐng)域的共識問題，其核心被稱為：拜占庭將軍問題01拜占庭將軍問題共識概述圖4-1有一個叛徒存在的情況（深色代表叛徒）拜占庭將軍論斷——在將軍通過信使口頭傳遞信息的情況下，只要有1/3以上的叛徒，則沒法保證忠誠的將軍們能夠達(dá)成一致的行動。共識算法的核心：解決拜占庭將軍問題，即在故障和破壞性節(jié)點存在的條件下，在正常節(jié)點之間形成統(tǒng)一意見與認(rèn)知。01經(jīng)典的區(qū)塊鏈分層結(jié)構(gòu)主要包含數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層。共識層是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心，主要封裝了能夠保障鏈上各節(jié)點之間協(xié)同運行的各類共識算法，同時利用這些算法來實現(xiàn)區(qū)塊鏈去中心化、去信任化、高安全性等特性共識層需要提供交易驗證、排序、區(qū)塊生產(chǎn)、驗證的功能在共識層中，共識算法是主要的內(nèi)容共識概述客戶端發(fā)起請求共識層排序、打包交易數(shù)據(jù)存儲和驗證合約層執(zhí)行交易經(jīng)典共識算法PART0202區(qū)塊鏈：技術(shù)與應(yīng)用經(jīng)典共識算法02工作量證明（Proof-of-Work，PoW）是區(qū)塊鏈上使用最早也是最廣泛的共識算法之一，其思想由來已久。PoW共識算法的本質(zhì)是根據(jù)節(jié)點的計算能力來決定記賬權(quán)。其核心思想是通過引入分布式節(jié)點的算力競爭來保證數(shù)據(jù)的一致性和安全性。在區(qū)塊鏈領(lǐng)域，PoW共識算法最成功的應(yīng)用就是比特幣系統(tǒng)。根據(jù)比特幣的設(shè)計，系統(tǒng)大約每10分鐘生成一個區(qū)塊，所有比特幣礦工均參與競爭這種極度稀缺的“記賬權(quán)”與比特幣獎勵。PoW共識算法利用分布式節(jié)點的算力來完成大量的哈希函數(shù)計算工作，選出每10分鐘的唯一“記賬人”，從而保證賬本數(shù)據(jù)的一致性。在比特幣系統(tǒng)中，PoW共識算法選用的是SHA256哈希算法。PoW共識算法的優(yōu)勢在于其執(zhí)行簡單，可以有效抵御51%攻擊。但PoW算法同時存在顯著的問題。為了發(fā)行區(qū)塊并獲取收益，節(jié)點需要進行大量的哈希計算，為此會消耗大量能源。經(jīng)典共識算法02權(quán)益證明（ProofofStake，PoS）共識算法也稱股權(quán)證明共識算法，于2011年首次被提出。PoS共識算法中通過對不同節(jié)點特定數(shù)量貨幣的所有權(quán)進行統(tǒng)計，選擇具有最高權(quán)益（Stake）的節(jié)點并賦予記賬權(quán)，其本質(zhì)是比較資源擁有的數(shù)量，這里的資源指的就是幣齡（coinage）。在區(qū)塊鏈中，每生成一個新的PoS區(qū)塊，幣齡就會清空；而每清空365幣齡，則會獲得一定的利息收益，又稱為“權(quán)益激勵”。若要對區(qū)塊鏈進行攻擊，就需要控制較多幣齡，從而大大提升攻擊成本。由于PoS共識算法更多代表的是一種理念，在不同的應(yīng)用場景中，往往具有不同的表現(xiàn)形式：PoW+PoS混合共識純PoS共識PoS共識擴展算法Coinage金額用戶持有時間幣齡經(jīng)典共識算法02由于PoS共識算法在本質(zhì)上依然需要進行挖礦運算，因而運算速度依舊受限。而委托權(quán)益證明（DelegatedProofofStake，DPoS）解決了共識算法運算速度的問題。DPoS通過共識節(jié)點的權(quán)益投票將區(qū)塊數(shù)據(jù)的記賬權(quán)和區(qū)塊鏈參數(shù)的配置權(quán)賦予少數(shù)的代表節(jié)點，從而實現(xiàn)民主共識。DPoS共識算法流程主要包括兩大部分：見證人選舉區(qū)塊生成見證人節(jié)點按照預(yù)定義順序輪流產(chǎn)生區(qū)塊用戶節(jié)點投票選舉N個見證人，負(fù)責(zé)交易監(jiān)聽、驗證、區(qū)塊更新等工作DPoS共識算法有著較快的處理速度，做到了秒級的共識驗證。但同時，用戶通過選舉代表節(jié)點來負(fù)責(zé)區(qū)塊生成，就會造成弱中心化的局面，其開放程度易引起質(zhì)疑。經(jīng)典共識算法02實用拜占庭容錯算法（PracticalByzantineFaultTolerance，PBFT）于1999年第三屆操作系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)研討會上提出，其假設(shè)共識過程的運行環(huán)境是異步分布式網(wǎng)絡(luò)，且可能存在惡意發(fā)送錯誤信息的拜占庭節(jié)點。PBFT能在異步環(huán)境下，容忍不足1/3的總數(shù)節(jié)點是拜占庭節(jié)點，并在這一條件下達(dá)成共識。在區(qū)塊鏈領(lǐng)域中，一般適用于對一致性有較高要求的聯(lián)盟鏈和私有鏈場景。圖4-3PBFT消息傳播過程經(jīng)典共識算法02上述的幾種共識算法在設(shè)計上各有不同，因其性能差異，在適用對象上也有所不同。為了能夠更好地對比不同算法的使用場景，對其主要性能對比如下：性能指標(biāo)PoWPoSDPoSRaftPBFT拜占庭容錯支持支持支持不支持支持中心化程度強強弱強弱交易量少少較少多多確認(rèn)速度慢較慢較快快快能耗高較高較低低低共識算法發(fā)展PART0303區(qū)塊鏈：技術(shù)與應(yīng)用共識算法發(fā)展01PoW擴展共識算法Bitcoin-NG共識算法基于PoW共識被提出，其中關(guān)鍵區(qū)塊的生成過程與PoW類似，而微區(qū)塊的產(chǎn)生則不需要工作量證明；2016年，ByzCoin改進了已有算法，性能更加完善。為了克服經(jīng)典共識算法的欠缺，針對已有共識算法融合產(chǎn)生了一些新型的算法。PoS擴展共識算法Casper投注共識為解決“NothingatStake”問題而生，通過保證金來約束節(jié)點行為；PoA算法采用認(rèn)證節(jié)點生成認(rèn)證區(qū)塊的方式來運作，其中認(rèn)證節(jié)點通過投票產(chǎn)生。2-hop共識算法2-hop共識算法綜合了PoW和PoS算法的優(yōu)勢，每輪工作都包含PoW與PoS兩階段，其中PoW階段通過完成任務(wù)提出新區(qū)塊，而完成PoS的節(jié)點對新區(qū)塊進行驗證。共識算法發(fā)展01除了對經(jīng)典共識算法的改進外，還有許多新的共識算法誕生。以下圖HotStuff共識算法為例，Zab（ZookeeperAtomicBroadcast）共識算法、Our