PoS共識算法在多方分布式賬本上的應(yīng)用研究

羅才華

（羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，羅定 527200）

0 引言

在分布式系統(tǒng)中，分布式數(shù)據(jù)庫的共識管理是非常重要的核心技術(shù)，也是保證分布式數(shù)據(jù)庫可以像傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫一樣使用，而不需要應(yīng)用去管理分布式系統(tǒng)中各個節(jié)點。隨著分布式技術(shù)的發(fā)展，分布式數(shù)據(jù)庫的共識管理方案不斷在進(jìn)化，而以往的分布式數(shù)據(jù)庫并不考慮拜占庭容錯問題，只考慮節(jié)點所在主機的網(wǎng)絡(luò)故障、宕機等非人為問題。隨著互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，大數(shù)據(jù)時代的來臨，企業(yè)間合作模式也越來越復(fù)雜化，甚至出現(xiàn)多方共同維護一個賬本的場景，這時候就必須要考慮可能存在惡意節(jié)點的問題，建立網(wǎng)絡(luò)中記賬節(jié)點的選擇機制，保證賬本數(shù)據(jù)在全網(wǎng)中形成一致和正確的共識。在傳統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)中，因為中心服務(wù)器（主庫）的存在，這從來就不是個問題，其他的從庫向主庫看齊就可以，但是多方分布式賬本系統(tǒng)是一個對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中沒有所謂的中心節(jié)點，一切都要商量著來[1]。

1 拜占庭將軍問題

在分布式計算中，各計算機通過交換信息達(dá)成共識，并按照同一協(xié)作策略行動，但有時系統(tǒng)的成員計算機可能會因為硬件故障、遭到惡意攻擊或網(wǎng)絡(luò)異常而發(fā)送錯誤信息或損壞信息，使網(wǎng)絡(luò)中各成員得出不同結(jié)論，從而破壞系統(tǒng)的一致性。拜占庭將軍問題（Byzantine Generals Problem）是Leslie Lamport（萊斯利·蘭伯特）在1982年提出的分布式對等網(wǎng)絡(luò)通信容錯問題[2]，是對分布式共識問題的情景化描述，描述在可能存在故障節(jié)點或惡意行為條件下，分布式系統(tǒng)如何達(dá)成一致的共識，Leslie Lamport同時提出了該問題基于口信消息和簽名消息的兩種解決方案。拜占庭將軍問題被認(rèn)為是分布式系統(tǒng)容錯性問題中最難和最復(fù)雜容錯模型之一，是分布式共識的基礎(chǔ)，具有正確性和一致性兩個交互一致性條件。

2 分布式數(shù)據(jù)庫共識機制

2.1 Paxos算法

Paxos算法是由拜占庭將軍問題提出者Leslie Lamport于 1989 年在論文“The part-time parliament”中提出的一種基于消息傳遞且具有高度容錯特性的分布式系統(tǒng)一致性算法[3-4]，由于該論文內(nèi)容過于晦澀，直到1998年才通過評審和發(fā)表。谷歌分布式鎖服務(wù)Chub-by就是基于Paxos算法的應(yīng)用，Paxos算法后續(xù)衍生出Abstract Paxos、Classicpaxos、Byzantine Paxos 和 Disk Paxos等變種算法，是解決異步系統(tǒng)共識問題最重要的算法家族[5]?；A(chǔ)Paxos算法定義了以下幾種角色，Paxos算法模型如圖1所示。

圖1 Paxos算法模型圖

（1）Client：客戶端，向分布式系統(tǒng)發(fā)起提議并等待結(jié)果。

（2）Proposer：協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)接收客戶端發(fā)起的提議，然后嘗試讓接受者接受該提議，并且保證即使提議產(chǎn)生沖突，算法也能進(jìn)行下去。

（3）Acceptor：接受者，負(fù)責(zé)對提議進(jìn)行投票，同時會記錄自己的投票歷史。

（4）Learner：學(xué)習(xí)者，如果超過半數(shù)接受者達(dá)成共識，那么學(xué)習(xí)者就會接受該提議，并做出運算結(jié)果，返回給客戶端。

2.2 Raft算法

Raft算法是斯坦福大學(xué)的Diego Ongaro和John Ousterhout提出的一種分布式一致性算法，其本質(zhì)是Multi-Paxos的一個變種，Raft為了避免Paxos的復(fù)雜性通過簡化模型，實現(xiàn)了一種更容易讓人理解的共識算法，它依靠狀態(tài)機和主從同步的方式，讓集群各個節(jié)點之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性，如圖2所示。Raft主要分為選取主節(jié)點和同步數(shù)據(jù)兩個階段，首先通過多個節(jié)點之間的投票競爭來選取主節(jié)點（leader），然后在選舉出來的leader基礎(chǔ)上進(jìn)行正常操作，例如日志復(fù)制、記賬等，Raft算法中的節(jié)點共有l(wèi)eader（主節(jié)點）、follower（從節(jié)點）和candidate（參與投票競爭的節(jié)點）三種角色，Raft將共識問題分為“l(fā)eader選舉、記賬和安全”三個相對獨立的子問題[6]。

2.3 PoS共識算法

由于PoW（Proof of Work，工作量證明）算法存在算力浪費和生成新區(qū)塊周期較長等問題[7]，Sunny King提出了PoS（Proof of Stake，權(quán)益證明）共識算法。該算法用股權(quán)（持有數(shù)字貨幣的數(shù)量與時間）證明能力，幣齡（持幣量*持幣時間）越大，記賬權(quán)利越大，分配到的利息就越多，類似于財產(chǎn)儲存在銀行，該算法的前提是要求各驗證者（活躍參與者）需要擁有一定的資產(chǎn)以供質(zhì)押。PoS共識機制原理是節(jié)點把自身的貨幣投入PoS機制中，身份變?yōu)轵炞C者，PoS機制在所有驗證者中隨機選出一個節(jié)點產(chǎn)生區(qū)塊，投入的貨幣越多被選中的概率越大，通過競爭產(chǎn)生的記賬節(jié)點將區(qū)塊廣播，達(dá)成一致共識后上鏈，并且節(jié)點數(shù)據(jù)越多網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定。PoS算法設(shè)計者基于人性逐利的假設(shè)，通過用戶選擇了正確的區(qū)塊可能會得到一定的獎勵，反之支持拜占庭錯誤區(qū)塊則有可能受到懲罰的方式，認(rèn)為大部分用戶都會傾向于選擇正確區(qū)塊，因此短期的投機行為和長期的收益基本是一致的，區(qū)塊鏈系統(tǒng)是穩(wěn)定的[8]。

圖2 Raft算法模型圖

3 PoS算法的安全性評估分析

像比特幣這樣的數(shù)字貨幣，用巨量的算力來加強網(wǎng)絡(luò)的安全性，因為PoW算法的存在，挖礦需要消耗大量的算力，工作量證明的概念1993年首次出現(xiàn)在學(xué)術(shù)論文“Pricing via Processing or Combatting Junk Mail”中，而PoW算法是在1999年才被正式提出，但是直到2009年中本聰創(chuàng)立了比特幣之后，這種技術(shù)才被大規(guī)模使用。中本聰意識到這種機制可以用來達(dá)成多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的共識，從而保證了比特幣的安全。但是，PoW算法需要所有的節(jié)點都去運算解決一個加密學(xué)的問題，這些運算者就是礦工，而第一個得到正確答案的礦工就可以得到獎勵，這些獎勵導(dǎo)致了一個情況，那就是礦工們正在建造越來越大的礦場，反而導(dǎo)致了區(qū)塊鏈的算力越來越向礦池集中化，違反了去中心化的原則。為了解決這一問題，Sunny King提出了Proof of Stake的股權(quán)證明算法，PoS算法使用一種選舉機制，隨機在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中選取一個，并且不再需要礦工，取而代之的是Validators，為了成為Validators，節(jié)點必須先抵押一定數(shù)量的Token作為Stake，抵押的數(shù)量決定了下一次選舉時被選為Validators的概率大小。如果Validators讓非法的交易計入?yún)^(qū)塊中，那么它將付出損失部分押金的代價，只要押金比獲得的交易手續(xù)費高，作弊就是不經(jīng)濟的，因此PoS算法總體來說是安全的。但是也不是沒有缺點，PoW算法中，如果掌控了51%的算力，就可以進(jìn)行欺騙的交易；而PoS算法中，如果掌控了51%的股權(quán)，同樣可以做到，但是掌控51%的股權(quán)遠(yuǎn)比掌控51%的算力要困難得多，所以實際上針對PoS機制發(fā)起攻擊的可能性遠(yuǎn)比PoW小。

4 PoS共識算法在多方分布式賬本中的應(yīng)用

傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)一致性算法Paxos、Raft不考慮拜占庭容錯，即假設(shè)不存在惡意篡改和偽造數(shù)據(jù)的拜占庭節(jié)點，認(rèn)為所有節(jié)點都是可信任的。因此，在很長一段時間里，傳統(tǒng)分布式一致性算法的應(yīng)用場景大多是節(jié)點數(shù)量有限且相對可信的分布式數(shù)據(jù)庫環(huán)境[9]。隨著社會經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和“大智云物移”技術(shù)的快速發(fā)展，企業(yè)間合作方式也越來越復(fù)雜化和多樣化，多運營方共用一個賬本的需求越來越多，例如多方企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)、金融行業(yè)多方交易轉(zhuǎn)賬和電商平臺與商家賬本同步等等，每一方都有自己的機房存儲賬本?，F(xiàn)在最普遍的做法就是約定時間對賬清算，這種方式效率不高，如果出現(xiàn)賬本不一致，可能還會引發(fā)信任問題。因此，迫切需要一種解決方案來保障開放、多節(jié)點（可能存在惡意拜占庭節(jié)點）和賬本場景復(fù)雜環(huán)境下多方分布式賬本可靠和一致問題。

從本質(zhì)來看，Paxos、Raft、PoW、PoS 算法都是為了解決“誰來寫”的問題，實際就是為了決定把誰作為持久化日志存儲的基準(zhǔn)，這四種共識算法對比情況如表1所示。在多活架構(gòu)中，每個節(jié)點都可以進(jìn)行寫入操作，為了讓所有節(jié)點達(dá)成一致，就必須在某個時刻所有節(jié)點向一個節(jié)點看齊。而PoS共識算法就是為了解決拜占庭容錯問題、實現(xiàn)去中心化，也就是“異地多活”的實現(xiàn)。PoS共識算法不僅決定了“誰應(yīng)該寫”的問題，并且還能確定“寫的東西是不是真實”（拜占庭問題），實現(xiàn)了多方賬本數(shù)據(jù)真實、可靠、一致?；诖耍疚膶Χ喾狡髽I(yè)的物聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)和金融行業(yè)多方交易轉(zhuǎn)賬提出了新的解決方案，如圖3、圖4所示。

表1 四種共識算法對比

圖3 多方企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)模型

圖4 金融行業(yè)多方交易轉(zhuǎn)賬模型

5 結(jié)語

基于PoS共識算法能有效解決分多方布式賬本中“誰來寫”和“寫的東西是不是真實”等問題，實現(xiàn)多方賬本數(shù)據(jù)的真實、可靠、一致。本文以多方企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)和金融行業(yè)多方交易轉(zhuǎn)賬為例，提出了基于PoS共識算法的多方分布式賬本解決方案，有助于解決多方賬本企業(yè)場景下信任合作的痛點，相對于傳統(tǒng)定時對賬清算，效率更高、選舉更加透明公正，結(jié)合分布式數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)多方異地數(shù)據(jù)一致性。