區(qū)塊鏈中的共識機(jī)制

李福濤

【摘要】? ? 共識機(jī)制作為區(qū)塊鏈中的關(guān)鍵技術(shù)，是區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的所有參與節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致的策略和方法，決定了區(qū)塊鏈能在多個(gè)節(jié)點(diǎn)中達(dá)到一種相對平衡的狀態(tài)。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展和不斷成熟，區(qū)塊鏈的共識機(jī)制也在不斷發(fā)展與完善。本文介紹了幾種主流共識機(jī)制的特點(diǎn)，具體為PoW、PoS、DPoS、PBFT等共識機(jī)制。

【關(guān)鍵詞】? ? 區(qū)塊鏈? ? 共識機(jī)制? ? 去中心化

一、前言

2008 年，學(xué)者中本聰（Nakamoto）發(fā)表論文《比特幣：一種點(diǎn)對點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》，在該文中首次提出區(qū)塊鏈概念。作為一種近幾年逐漸興起的前沿性、基礎(chǔ)性技術(shù)，區(qū)塊鏈（Blockchain）是一種全新的去中心的分布式系統(tǒng)，其整合了共識機(jī)制、密碼學(xué)技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、P2P技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)是按照時(shí)間順序?qū)⒏鱾€(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連，從而組合成一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用非對稱加密算法來保證鏈中的數(shù)據(jù)區(qū)塊不可篡改和不可偽造。區(qū)塊鏈的這種去中心化、去信任化的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的應(yīng)用價(jià)值，其應(yīng)用已延伸到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的各類商品的交易和數(shù)據(jù)的傳輸中。

二、共識機(jī)制

區(qū)塊鏈作為一種分布式記賬系統(tǒng)，其中的節(jié)點(diǎn)無需互相信任，各節(jié)點(diǎn)通過統(tǒng)一的共識機(jī)制共同維護(hù)一份賬本。區(qū)塊鏈建立的是一種去中心化的共識機(jī)制，區(qū)塊鏈的共識機(jī)制是區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的所有參與節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致的策略和方法。共識機(jī)制作為區(qū)塊鏈中的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到區(qū)塊鏈應(yīng)用的有效性和適用性。

當(dāng)前區(qū)塊鏈主要有四大類共識機(jī)制：工作量證明（Proof Of Work，PoW）機(jī)制、權(quán)益證明（Proof of Stake，PoS）機(jī)制、股份授權(quán)證明（Delegate Proof of Stake，DPoS）機(jī)制和實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）機(jī)制。

2.1工作量證明（PoW）

作為一種現(xiàn)今較為成熟的共識技術(shù)，PoW共識過程為：觸發(fā)交易的節(jié)點(diǎn)向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)廣播交易請求后，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)競爭獲得創(chuàng)建新區(qū)塊的權(quán)利，競爭成功的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行智能合約后向網(wǎng)絡(luò)廣播生成的新區(qū)塊，然后所有節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證該新區(qū)塊的正確性。PoW依賴機(jī)器進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算來獲取記賬權(quán)，資源消耗相比其他共識機(jī)制高，同時(shí)每次達(dá)成共識需要全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)共同參與運(yùn)算，性能效率比較低，容錯(cuò)性方面允許全網(wǎng)一半節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)。雖然PoW可以達(dá)到完全去中心化，節(jié)點(diǎn)自由進(jìn)出，但是目前比特幣已經(jīng)吸引全球大部分的算力。且由于依賴機(jī)器進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算來獲取記賬權(quán)，資源消耗相比其它共識機(jī)制高、可監(jiān)管性弱。

2.2權(quán)益證明（PoS）

PoS的主要思想是節(jié)點(diǎn)記賬權(quán)的獲得難度與節(jié)點(diǎn)持有的權(quán)益成反比，其出發(fā)點(diǎn)在于解決工作量證明的能源浪費(fèi)問題。作為Pow的一種升級共識機(jī)制，PoS根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)所占代幣的比例和時(shí)間，等比例的降低挖礦難度，從而加快找隨機(jī)數(shù)的速度，且該共識機(jī)制容錯(cuò)性和PoW相同。相對于PoW，PoS一定程度減少了數(shù)學(xué)運(yùn)算帶來的資源消耗，性能也得到了一定的提升，但依然是基于哈希運(yùn)算競爭獲取記賬權(quán)的方式，可監(jiān)管性弱。PoS共識過程僅僅靠內(nèi)部幣齡和權(quán)益，而不需要消耗外部算力和資源，解決了算力浪費(fèi)問題，但是算力卻大打折扣。

2.3股份授權(quán)證明（DPoS）

隨著對PoS研究的深入，基于PoS產(chǎn)生了DPoS，意為股份授權(quán)證明機(jī)制，DPoS與PoS的主要區(qū)別在于節(jié)點(diǎn)選舉若干代理人，由代理人驗(yàn)證和記賬。其合規(guī)監(jiān)管、性能、資源消耗和容錯(cuò)性與PoS相似。類似于董事會(huì)投票，股東們投出一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，作為代理人，代理他們進(jìn)行驗(yàn)證和記賬，并負(fù)責(zé)維護(hù)貨幣系統(tǒng)運(yùn)行，其合法性驗(yàn)證性能也與PoS相似。由于大幅縮小參與驗(yàn)證和記賬節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，其共識驗(yàn)證的時(shí)間就更短。DPoS整個(gè)共識機(jī)制還是依賴于代幣，很多商業(yè)應(yīng)用是不需要代幣存在的，普適性較差。

2.4實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（PBFT）

PBFT是一種基于消息傳遞的一致性算法，算法經(jīng)過三個(gè)階段達(dá)成一致性，每個(gè)階段可能因?yàn)槭《貜?fù)進(jìn)行，其解決了原始拜占庭容錯(cuò)算法效率不高的問題，使得拜占庭容錯(cuò)算法在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中變得可行。PBFT算法是假定攻擊者數(shù)量在容錯(cuò)條件下，預(yù)設(shè)的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)通過依賴一個(gè)選舉過程達(dá)成節(jié)點(diǎn)共識，然后由選舉的節(jié)點(diǎn)按照約定生成區(qū)塊。PBFT的缺點(diǎn)在于：網(wǎng)絡(luò)資源消耗較高，網(wǎng)絡(luò)開銷較大，且容錯(cuò)率低、靈活性差，超過1/3的節(jié)點(diǎn)作惡就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，以及只適用聯(lián)盟鏈或私鏈場景。

三、結(jié)語

區(qū)塊鏈的去中心化、防篡改、可追溯等特性使其具有良好的應(yīng)用潛力和前景。共識機(jī)制作為區(qū)塊鏈中的關(guān)鍵技術(shù)，解決了區(qū)塊鏈如何在分布式場景下達(dá)成一致性的問題。如何降低共識算法的復(fù)雜度，將是未來區(qū)塊鏈領(lǐng)域中的主要研究趨勢。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]沈鑫， 等. 區(qū)塊鏈技術(shù)綜述[J]. 網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報(bào)，2016，2（11）.

[2]北京航空航天大學(xué). 一種基于P2P金融的區(qū)塊鏈機(jī)制與共識算法：中國， 106920167[P].2017-07-04.

[3]Cryptape.共識算法，區(qū)塊鏈的引擎.http：//cryptape.com/ consensus-the-engine-of-blockchain.html， 2016.