区块链应用技术 课件 第6章 区块链共识机制及应用

区块链共识的概念与特点目录什么是区块链共识共识机制的分类区块链中常见的共识机制共识机制的特点什么是区块链共识共识机制是区块链的核心基石，是区块链系统安全性的重要保障。区块链是一个去中心化的系统，共识机制通过数学的方式，让分散在全球各地成千上万的节点就区块的创建达成一致的意见。共识机制中还包含了促使区块链系统有效运转的激励机制，是区块链建立信任的基础。共识机制的分类根据共识算法解决问题的方式，我们可以大致将其分为两类：验证型共识算法投票型共识算法除了根据共识的实现来分类，我们还可以通过对共识机制是否是拜占庭容错来进行分类。而像PBFT，dPOS,Tendermint等，都是拜占庭容错。共识机制的分类区块链公链常用的共识机制有POW、POS、DPOS、BFT以及多种机制混合而成的共识机制等。共识是指系统节点达成一致的过程，而分布式系统的一致性体现在三个方面:

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最终性(Termination):所有进程最终会在有限步数中结束并选取一个值,算法不会无尽执行下去。

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统一性(Agreement):所有进程必须同意同一个值。

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合法性(Validity):输出内容是输入内容按照系统规则生成的，且输出内容合法。区块链中常见的共识机制1.Pow工作量证明2.PoS权益证明3.DPoS委托权益证明4.容量证明/空间和时间证明

5.唯一节点列表(UNL)6.已用时间证明7.权威证明8.有向无环图共识机制的特点例如：POW共识机制比特币采用的POW工作量证明共识机制，在生成区块时，系统让所有节点公平地去计算一个随机数，最先寻找到随机数的节点即是这个区块的生产者，并获得相应的区块奖励。因此，比特币的POW共识机制门槛很低，无需中心化权威的许可，人人都可以参与，并且每一个参与者都无需身份认证。共识机制的特点

POW共识的优点可归纳为:算法简单，容易实现，节点可自由进入，去中心化程度高破坏系统需要投入极大的成本，安全性极高节点间无需交换额外的信息即可达成共识，整个过程不需要人的参与

为了保证去中心化程度，区块的确认时间难以缩短没有最终性共识机制的特点区块链的共识机制具备“少数服从多数”以及“人人平等”的特点，“人人平等”是当节点满足条件时，所有节点都有权优先提出共识结果、直接被其他节点认同后并最后有可能成为最终共识结果。感谢观看pOW共识——工作量共识目录概念POW算法原理存在的问题POW工作量证明的三要素POW工作量证明流程POW共识记账POW的优点POW的缺点工作量证明是需要各个节点来进行一个较难完成但较容易验证的工作来实现共识。PoW=工作量证明=挖矿比特币网络中的计算是根据上一个区块的信息来确定出下一个待挖区块的目标结果值。比特币PoW计算公式如下：概念PoW求解过程中当网络中有2个或2个以上的节点在同一区块的基础上算出了哈希，并且都向网络中广播了自己打包的区块后，区块链则可认为是产生了分叉，需要确定哪一个才是主链，即分叉选择策略。PoW也在一定程度上避免了女巫攻击。PoW算法原理（1）“无意义”的能源浪费为了获取“挖矿”收益的节点会进行大量的哈希运算。因此，很多人此前在研究如何将POW的计算内容从无意义的哈希运算，应用于更为实际的运算场景。（2）挖矿相关的攻击尽管比特币的PoW在事实上较为成功，相较于PoS等共识从实践的角度来看更为稳健，但不可否认的是PoW也存在较多的安全风险需要防控。存在的问题常见的威胁以及相应的对策如右侧表所示。POW工作量证明的三要素工作机制：为了使区块链交易数据记录在区块链上并在一定时间内达到一致（共识），POW提供了一种思路，即所有区块链的网络节点参与者进行竞争记账。1、工作量证明函数

在比特币中使用的是SHA256算法函数，是密码哈希函数家族中输出值为256位的哈希算法。2、区块

区块头在前言中已经做详细介绍，这里我们就介绍下区块体的Merkle树算法。3、难度值

关于难度值，我们直接看公式：

新难度值=旧难度值*（过去2016个区块花费时长/20160分钟）

tips：难度值是随网络变动的，目的是为了在不同的网络环境下，确保每10分钟能生成一个块。

新难度值解析：撇开旧难度值，按比特币理想情况每10分钟出块的速度，过去2016个块的总花费接近20160分钟，这样，这个值永远趋近于1。POW工作量证明流程POW共识记账前面三部分中讲解的是单节点工作量证明流程，有了这个计算流程，我们就得将其使用起来，在比特币平台中，中本聪就是运用的pow工作量证明来使全网节点达到51%及以上的共识记账，那么POW工作量证明共识是如何记账的？总结下来大概有六点。POW的优点完全去中心化（任何人都可以加入）；节点自由进出，容易实现；破坏系统花费的成本巨大。POW的缺点对节点的性能网络环境要求高；浪费资源；每秒钟最多只能做七笔交易，效率低下；矿场的出现违背了去中心的初衷；不能确保最终一致性；利益驱动性降低导致旷工数量减少从而导致比特币网络瘫痪。代码如下代码如下感谢观看POS(权益证明）目录权益证明（POS）Follow-the-Satoshi算法特点缺陷POS的长程攻击

权益证明与PoW竞争挖矿造成的能源浪费和效率低下不同，PoS一般以节点投入的通证数量和持有通证的时间长短来计算可记账权的比率。与PoW投入成本进行算力竞争不同，PoS的博弈思想是持有通证数量越多的人越值得信赖。权益证明（POS）

POS一并解决了POW浪费能源和算力集中两个痛点，理论上还能缩短了共识时间，但同时也丢弃了POW的某些优势，因此更容易分叉，一笔交易需要等待更多确认才能确保安全，而POS最大的问题是其安全性和容错性还没有得到严格的数学论证。PoS机制并没有从根本上解决PoW机制难以应用于商业领域的问题。为了能在纯粹PoS机制下更好的选择出块者，Bentov等人提出了Follow-the-Satoshi算法，如下图。Follow-the-Satoshi算法 POS的通证在整个区块链体系中更像是以股份或存款的形式而存在：通过质押通证来获得“分红”或“利息”。这种方式的通证经济体系会更易于使发行者，持有者，开发者等的利益绑在“一条船”上，从而使生态体系具有较强的生命力和适应力。特点缺陷无权益问题，是用户在POS中可以同时在两个分叉上面下注不会受到损失，这样，无论哪一个分叉后面被认为主链，该用户都可以获得奖励而没有机会成本的损失。解决思路：一、对在同一个区块上面进行多次下注的，引入一个惩罚机制。二、无论是否多次下注，“押错”主链的用户都会受到惩罚。除此之外，还有其他一些解决办法。例如Peercoin在PoS共识基础上还综合使用了PoW来控制提案的发送，NXT的方式是不引入挖矿机制，所有的NXT一次性创建在创世区块中，通过公式确定未来的区块由哪个节点来生成。在PoS链上线的早期，很有可能有一个阶段一小部分矿工持有了大部分的通证，那么在未来的某个时候掌握了早期通证的这个或这些人会从链的早期开始重新分叉一个新链出来实现双花，而且这个新链的接下来很多区块的挖矿收益可能仍然会由这些作恶矿工所掌握。POS的长程攻击感谢观看DPOS共识机制目录DPOS共识的目标两个原则原理DPOS优点、缺点、特点DPOS争论：去中心化问题DPOS共识的目标DPoS算法是BM根据当时PoW、PoS的不足而改进的共识算法，它的目的就是为了提高性能，也就是交易确认时间短。两个原则1、投票选举过程⼀定要保证最大权益所有者最终能控制全网。2、与PoW、PoS⼀样，所有节点仅承认“最长”链。原理step1.全网持有代币的人可以通过投票系统选举出一定数量的节点作为区块生产者。step2.被选举的节点相互协作，按照一定的顺序，轮流进行记账。所选择的生产者会根据从块时间导出的伪随机数进行混合。以便保证出块者之间的连接尽量平衡。step3.记账21个区块生产者，不仅记账，还需要提供EOS全链所需要的计算和网络资源。DPOS优点1）记账节点减少，交易速度更快，EOS号称可达百万TPS；

2）更加安全，一般不不会发生链分叉并不可逆，确保最终一致性；

3）相对PoW，解决了资源消耗问题。DPOS缺点DPOS被普遍质疑过于中心化代理记账节点选举过程中存在巨大的人为操作空间。DPOS特点特点：出块时间超短，效率超高，几乎不会分叉。DPOS争论：去中心化问题如果为了提升性能，即一致性的效率，势必会牺牲其他两项。这也会引出有关DPoS的一个争论：中心化问题。这是DPoS算法的优势，也是DPoS算法的劣势。很多情况下，投票并不能解决问题。

总结DPoS共识机制将“矿池”纳入系统内部，并把它们统称为见证节点。可以认为DPoS本身就是带中心化思路的共识机制。感谢观看实用拜占庭容错协议（PBFT）目录什么是PBFT？拜占庭容错系统实用的拜占庭容错系统PBFT消息传播过程什么是PBFT？它是基于领导者且非分叉的（不同于彩票式算法）它不支持开放注册，但是管理员可以添加和删除节点它要求完全对等（所有节点必须连接到所有其他节点）拜占庭容错系统1.所有非拜占庭节点使用相同的输入信息，产生同样的结果；2.如果输入的信息正确，那么所有非拜占庭节点必须接收这个信息，并计算相应的结果。在拜占庭系统的实际运行过程中，每个请求还需要满足两个指标。安全性：任何已经完成的请求都不会被更改，它可以在以后请求到；活性：可以接受并且执行非拜占庭客户端的请求，不会被任何因素而导致非拜占庭客户端的请求不能执行。拜占庭系统普遍采用的假设条件目前来说包括四种。原始的拜占庭容错系统由于需要展示其理论上的可行性而缺乏实用性。另外，还需要额外的时钟同步机制支持，算法的复杂度也是随节点增加而指数级增加。实用的拜占庭容错系统PBFT是一类状态机拜占庭系统，要求共同维护一个状态，所有节点采取的行动一致。为此，需要运行三类基本协议。一致性协议：解决如何达成共识检查点协议：类似于操作系统的还原点视图更换协议：系统的每个服务器节点