區(qū)塊鏈DPoS共識機制的研究與改進

談森鵬，楊超

（上海師范大學(xué)信息與機電學(xué)院，上海201400）

0 引言

探尋區(qū)塊鏈的機制和發(fā)展，比特幣永遠是無法繞過的話題。區(qū)塊鏈作為一種獨立的技術(shù)出現(xiàn)，最早可以追溯到比特幣系統(tǒng)中。2008年一個筆名為中本聰（Satoshi Nakamoto）的人（或團隊）發(fā)布了一篇名為《比特幣：一種點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》的文章，又在2009年公開了其早期的實現(xiàn)代碼，比特幣就此誕生[1]。

區(qū)塊鏈的誕生，標志著人類開始構(gòu)建真正可以信任的互聯(lián)網(wǎng)[2-4]。區(qū)塊鏈能夠在網(wǎng)絡(luò)中建立點對點之間可靠的信任，使得價值傳遞過程去除了中介的干擾，既公開信息又保護隱私，既共同決策又保護個體權(quán)益，這種機制提高了價值交互的效率并降低了成本。而共識機制作為區(qū)塊鏈的靈魂，解決了在互不信任或若信任的參與者之間達成共識的問題。

分布式系統(tǒng)的共識達成需要依賴可靠的共識機制，共識機制通常解決的是分布式系統(tǒng)中由哪個節(jié)點發(fā)起提案，以及其他節(jié)點如何就這個提案達成一致的問題。我們根據(jù)傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)與區(qū)塊鏈系統(tǒng)間的區(qū)別，將共識機制分為可信節(jié)點間的共識機制與不可信節(jié)點間的共識機制。前者已經(jīng)被深入研究，并且在現(xiàn)在流行的分布式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，其中Paxos[5]和Raft及其相應(yīng)變種算法最為著名。對于后者，雖然也早被研究，但直到近年區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展如火如荼，相關(guān)共識機制才得到大量應(yīng)用。而根據(jù)應(yīng)用場景的不同，后者又分為以 PoW（Proof of Work，工作量證明）、PoS（Proof of Stake，股權(quán)證明）和 DPoS（Delegated Proof Of Stake，股權(quán)授權(quán)證明）等算法為代表的適用于公鏈的共識算法和以 PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance，拜占庭容錯）及其變種算法為代表的適用于聯(lián)盟鏈或私有鏈的共識算法。

但區(qū)塊鏈技術(shù)處于前期發(fā)展階段，現(xiàn)今出現(xiàn)的這些共識機制都存在一定的問題，本文根據(jù)DPoS中存在的問題進行優(yōu)化改進，提出投票激勵機制配合節(jié)點互評兩種核心方案來提升社區(qū)活躍度，以及及時對惡意節(jié)點進行剔除和懲罰，促進系統(tǒng)始終保持高安全和高效率。

1 共識機制

所謂共識，是指多方參與的節(jié)點在預(yù)設(shè)規(guī)則下，通過節(jié)點交互對某些數(shù)據(jù)、行為或流程達成一致的過程。共識機制是指定義共識過程的算法、協(xié)議和規(guī)則。

1.1 工作量證明

PoW共識機制[6]通過各節(jié)點進行哈希運算，第一個運算出達到要求的結(jié)果的節(jié)點獲得記賬權(quán)，再由此節(jié)點生成一個區(qū)塊，將十分鐘內(nèi)發(fā)生的交易打包裝進區(qū)塊并全網(wǎng)廣播以供其他節(jié)點驗證，驗證完成則獲得一定的收益。比特幣和以太坊都采用PoW共識機制來進行共識，并成功運行至今。雖然PoW共識機制為比特幣和以太坊的飛速發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)，但它的能源消耗過多和共識時間過長導(dǎo)致的交易速度太慢等問題廣受詬病。

1.2 股權(quán)證明

PoS共識機制是為解決PoW在資源浪費和達成共識所耗時間過長而提出的替代者。PoS共識機制的實質(zhì)是一種依據(jù)幣齡來決定節(jié)點獲得記賬所有權(quán)的概率[7]。所謂幣齡，就是持有幣的數(shù)額與持有天數(shù)的乘積?？梢哉f幣齡越高，節(jié)點越容易獲得記賬權(quán)。故PoS相較于PoW通過算力獲得記賬權(quán)而言，大大降低了資源的浪費，也縮短了達成共識所耗費的時間。但PoS依舊需要挖礦，本質(zhì)上沒有解決問題，而且會降低虛擬貨幣的流通性提高中心化的風險。

1.3 拜占庭容錯

PBFT共識機制是針對拜占庭將軍問題[8]而提出的。PBFT主要由一致性協(xié)議、視圖更換協(xié)議和檢查點協(xié)議組成[9]。一致性協(xié)議保證區(qū)塊在全網(wǎng)達成一致，在總結(jié)點個數(shù)為3f+1的情況下能容納f個錯誤節(jié)點。檢查點協(xié)議的主要目的是維護節(jié)點所儲信息的規(guī)模，減輕節(jié)點的存儲負擔，同時同步系統(tǒng)狀態(tài)不一致的節(jié)點。PBFT在視圖切換協(xié)議中提出了View（視圖）概念，View是達成一致的節(jié)點群，在一個View中，只有一個主節(jié)點，其余均為備份節(jié)點。主節(jié)點將客戶端的請求排好序，然后廣播給備份節(jié)點，但主節(jié)點可能會是拜占庭的。所以備份節(jié)點有職責主動檢查主節(jié)點排序的合法性，并通過timeout機制檢測主節(jié)點是否宕機。當出現(xiàn)異常出現(xiàn)，則觸發(fā)View Change（視圖切換）下個編號的節(jié)點成為主節(jié)點以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。IBM創(chuàng)建的Hyperledger 0.6版本就是使用該共識機制。雖然PBFT優(yōu)化通信過程提高共識效率，但它的容錯率相較于PoW和PoS偏低[10]。

1.4 股權(quán)授權(quán)證明

DPoS共識機制[11]通過代幣持有者投票，選出101個節(jié)點，對中心化作出了一定的妥協(xié)。通過減少節(jié)點來實現(xiàn)秒級驗證，進一步降低網(wǎng)絡(luò)能耗和運行成本。但當投票選出的101個節(jié)點中出現(xiàn)惡意節(jié)點，DPoS對惡意節(jié)點的處理存在諸多困難，因為投票亦不能有效地阻止惡意節(jié)點的出現(xiàn)，而且還會存在投票不積極的問題致使不能及時處理惡意節(jié)點，會給網(wǎng)絡(luò)安全造成隱患。

2 DPoS共識機制改進方案

本文引入投票激勵機制以及PBFT的檢查點協(xié)議，針對DPoS共識機制投票的積極性不高和對惡意節(jié)點的不能及時有效地處理等問題，提出投票激勵機制和檢查點協(xié)議兩種核心方案。通過投票激勵機制可以鼓勵代幣持有者積極投票，選出相對公正的101個節(jié)點，配合檢查點協(xié)議，通過101個節(jié)點間互相檢查，做到及時刪除惡意節(jié)點。下面給出了投票激勵機制和檢查點協(xié)議的詳細介紹。

2.1 投票激勵機制

由于DPoS共識機制需要從競選節(jié)點中選出101個節(jié)點來輪流執(zhí)行區(qū)塊鏈的記賬和上鏈等職責，但由于缺乏對投票的激勵機制，致使廣大代幣持有者投票積極性不高，最終導(dǎo)致票選出101個節(jié)點耗費了大量的時間效率不高。

故本文提出了投票激勵機制，以獎勵投票的代幣持有者，減少票選101個節(jié)點以及其他去要投票的場景所耗時間，提高效率。

社區(qū)發(fā)起投票活動時，代幣持有者從投票到獲得收益需要兩個階段。具體步驟如下：

①代幣持有者進行投票，至投票活動結(jié)束時，對投票者是否有資格后的收益及獲得多少收益進行清算。

②當計算完收益后，投票者并不能立刻收到獎勵，需要經(jīng)過鎖定期才能獲得獎勵。

獎勵公式：

以投票選出101個節(jié)點為例，其中VOTES為投票數(shù)，與投票者所持代幣數(shù)量一比一的關(guān)系。N為常數(shù)，表示此次獎勵總數(shù)。I只有1和0兩個值，表示投票者是否有權(quán)獲得獎勵，例如：投票者所投的競選節(jié)點是否成為最終節(jié)點。T與投票者投票的日期相關(guān)，投票者投票的日期與社區(qū)發(fā)起投票的日期相差越大，則T越小。

2.2 檢查點協(xié)議

在PBFT中存在主節(jié)點（primary）和從節(jié)點（replica）兩種角色。一次共識中只有一個主節(jié)點，其他都為從節(jié)點。主節(jié)點負責對一段時間內(nèi)的交易進行驗證，通過驗證的交易被打包進區(qū)塊，最后上鏈。這一概念與DPoS的101個節(jié)點的概念類似。在DPoS中101個節(jié)點輪流獲得記賬權(quán)，獲得記賬權(quán)的節(jié)點與PBFT主節(jié)點的職責大致相同，其余100個節(jié)點也與PBFT從節(jié)點的職責類似。在PBFT中，一旦主節(jié)點出現(xiàn)問題或為惡，可以立即進行試圖切換，但在DPoS中，卻無法及時刪除有問題的節(jié)點。

故引入PBFT的檢查點協(xié)議。在PBFT的檢查點協(xié)議中，由于拜占庭服務(wù)器的存在，一致性協(xié)議并不能保證每一臺服務(wù)器都執(zhí)行了相同的請求，所以，不同服務(wù)器狀態(tài)可能不一致。因此，設(shè)置周期性的檢查點協(xié)議，將服務(wù)器同步到某一個相同狀態(tài)。本文基于檢查點協(xié)議添加了節(jié)點狀態(tài)和懲罰機制。

（1）節(jié)點狀態(tài)

為了有效防止惡意節(jié)點持續(xù)地產(chǎn)生無效區(qū)塊或其他惡意行為，給101個節(jié)點都添加一個節(jié)點狀態(tài)，本文將節(jié)點狀態(tài)定義為4種，如表1所示。

表1 節(jié)點狀態(tài)及權(quán)限

成為代理節(jié)點后，初始狀態(tài)為Normal，多次產(chǎn)出有效區(qū)塊，則狀態(tài)轉(zhuǎn)換為Good。當代理節(jié)點產(chǎn)出無效區(qū)塊時，不管當前狀態(tài)是Good或Normal，直接轉(zhuǎn)換為Exception。代理節(jié)點若產(chǎn)出無效區(qū)塊的次數(shù)超過標準定值，則節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)化為Error。

（2）懲罰機制

當代理節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換為Exception時，會限制其權(quán)限，此時節(jié)點僅有參與檢查點協(xié)議權(quán)限，輪空記賬權(quán)。下一輪，其狀態(tài)自動恢復(fù)為Normal，產(chǎn)出無效區(qū)塊的次數(shù)累計不清空。

當代理節(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為Error時，首先節(jié)點不具備任何權(quán)限，其次會將其作為代理節(jié)點時間段內(nèi)的收益鎖定，并將其從代理節(jié)點中刪除，此后不再具備競選代理節(jié)點資格。

懲罰機制主要針對的是狀態(tài)為Error的代理節(jié)點，因為其產(chǎn)出無效區(qū)塊的累計次數(shù)超過了標準定值，故可認定其為惡意節(jié)點，需對其采取一定的懲罰措施。

3 實驗與分析

本文引入PBFT的檢查點協(xié)議與投票激勵機制，對DPoS的惡意節(jié)點無法及時處理和效率兩方面進行改善，由于投票激勵機制更多的是與代幣擁有著主觀思想相關(guān)，本實驗無法有效分析。故僅對DPoS引入檢查點協(xié)議前后進行實驗分析。

3.1 惡意節(jié)點處理速度比較

引入檢查點協(xié)議的目的就是為了即使處理惡意節(jié)點提高效率。當系統(tǒng)中出現(xiàn)記賬節(jié)點狀態(tài)為Exception或Error時，惡意節(jié)點處理速度如圖1所示。改進后相比于改進前，對惡意節(jié)點處理效率明顯要更高效。該實驗表明，改進后的DPoS在處理惡意節(jié)點時更為高效。

圖1 DPoS改進前后對惡意節(jié)點處理速度對比

3.2 運行效率比較

隨著改進后的DPoS對惡意節(jié)點的處理速度更快，相較于改進前的DPoS，它的運行效率更快，能夠更高效地完成區(qū)塊生成。圖2為改進前后的DPoS的運行效率對比圖?？梢钥吹礁倪M后的DPoS由于減少了處理惡意節(jié)點的時間，運行效率更快。

圖2 DPoS改進前后每分鐘確認交易量對比

4 結(jié)語

DPoS引入PBFT的檢查點協(xié)議和投票激勵機制很好地解決了無法及時剔除和懲罰惡意節(jié)點以及社區(qū)活躍度不高的問題，但仍然有許多地方需要優(yōu)化。

區(qū)塊鏈作為近幾年的熱點技術(shù)，最早出現(xiàn)在比特幣中，而PoW共識機制作為比特幣的基礎(chǔ)，在互不信任的互聯(lián)網(wǎng)中創(chuàng)造信任，讓互不認識的人們協(xié)同工作產(chǎn)生價值。共識機制時區(qū)塊鏈的核心基石，是區(qū)塊鏈系統(tǒng)安全性的重要保障。PoW、PoS、DPoS、PBFT等共識機制在不同的場景又各自的優(yōu)勢。在不同的場景下，使用最合適的共識機制，顯然現(xiàn)在的共識機制并不能滿足所有場景，所以共識機制的研究還有很長的路要走。