基于CAP理論的區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制的分析*

姬曉濤 劉建華

（西安郵電大學(xué) 西安 710121）

1 引言

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N全新的分布式計(jì)算范式，其不需要中心節(jié)點(diǎn)來(lái)統(tǒng)一處理，管理網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)同步運(yùn)行并通過(guò)共識(shí)機(jī)制保證一致［1］。Leslie Lamport［2］在1998提出了Paxos共識(shí)算法，2014年斯坦福教授Diego Ongaro［3］發(fā)布了Raft算法（Paxos算法的變種）。1999年，Castro和Liskov提出了實(shí)用拜占庭容錯(cuò)協(xié)議（PBFT），使拜占庭協(xié)議的復(fù)雜度有所降低［4］，同年“工作量證明”這一概念被Markus Jakobsson［5］首次提出，2008年工作量首次被應(yīng)用到中本聰［6］提出的比特幣中。2011年，權(quán)益證明POS算法由一位名為Quantum Me-chanic的數(shù)字貨幣愛(ài)好者首次提出［7］，2012年Sunny King［8］在點(diǎn)點(diǎn)幣中首次使用了權(quán)益證明。為了解決工作量證明機(jī)制和權(quán)益證明存在的問(wèn)題，F(xiàn)abian Schuh提出了股份授權(quán)證明機(jī)制，比特股［9］是該機(jī)制的首次應(yīng)用。2017年韓璇劉亞敏對(duì)現(xiàn)有的共識(shí)機(jī)制進(jìn)行了總結(jié)，并從安全性等方面進(jìn)行了評(píng)價(jià)［10］。

共識(shí)機(jī)制的研究主要集中在創(chuàng)新研究出更好的共識(shí)算法以及對(duì)其安全性、性能的分析等方面。共識(shí)機(jī)制作為區(qū)塊鏈這一分布式系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，目前并沒(méi)有對(duì)其在CAP理論方面的權(quán)衡分析。因此本文在詳細(xì)了解了幾大主流共識(shí)算法的共識(shí)流程后，從CAP理論的角度分析了各算法對(duì)三屬性的考量與權(quán)衡，將共識(shí)算法進(jìn)行了分類，這將為區(qū)塊鏈未來(lái)的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

2 基本技術(shù)

2.1 共識(shí)機(jī)制的定義

百度百科定義：“‘共識(shí)機(jī)制’是通過(guò)特殊節(jié)點(diǎn)的投票，在很短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)交易的驗(yàn)證和確認(rèn)；對(duì)一筆交易，如果利益不相干的若干個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠達(dá)成共識(shí)，我們就可以認(rèn)為全網(wǎng)對(duì)此也能夠達(dá)成共識(shí)”［11］。本文認(rèn)為共識(shí)機(jī)制就是網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)通過(guò)某種特定規(guī)則對(duì)某個(gè)提案達(dá)成一致的過(guò)程。目前主流的區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制包括工作量證明機(jī)制（POW）、權(quán)益證明機(jī)制（POS）、股份授權(quán)證明機(jī)制（DPOS）、實(shí)用拜占庭容錯(cuò)協(xié)議（PBFT）、Paxos共識(shí)算法以及Raft共識(shí)算法。

2.2 CAP理論

CAP理論最早是Eric Brewer［12］在2000年提出的，Gilbert等［13］在2002年對(duì)其進(jìn)行了證明。CAP原理指的是分布式系統(tǒng)不能同時(shí)滿足一致性、可用性、分區(qū)容錯(cuò)性三屬性，必須選擇一個(gè)進(jìn)行一定程度的弱化。三屬性的含義如下：

2）可用性（Availability）：對(duì)于系統(tǒng)的每一個(gè)請(qǐng)求在一定時(shí)間內(nèi)無(wú)論成功還是失敗都必須有回應(yīng)。

3）分區(qū)容錯(cuò)性（Partition Tolerance）：網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的使用不會(huì)產(chǎn)生影響。

3 幾種共識(shí)機(jī)制的CAP理論分析

3.1 分析思路

本文對(duì)共識(shí)機(jī)制的CAP理論分析按照下述步驟進(jìn)行：

1）了解算法的共識(shí)過(guò)程，畫(huà)出其共識(shí)過(guò)程的流程圖；

2）根據(jù)流程圖，判斷共識(shí)算法對(duì)交易的確認(rèn)是否需要等到多個(gè)區(qū)塊的確認(rèn)才算達(dá)成一致。如果需要多次確認(rèn)，就是最終一致性，相反，則是強(qiáng)一致性；

3）根據(jù)CAP理論三選二的原則給出結(jié)論。

3.2 具體的分析

3.2.1 工作量證明機(jī)制（POW）

鮑照的《東武吟》作于元嘉二十七年北伐失利后，南朝國(guó)力已衰時(shí)。詩(shī)歌未脫去民歌說(shuō)唱的痕跡，如開(kāi)篇的稱呼：主人指聽(tīng)者，“賤子”與“仆”皆說(shuō)唱者謙稱。

POW是一個(gè)參與者對(duì)其他參與者關(guān)于他做過(guò)一定工作的證明。圖1是比特幣的POW共識(shí)流程，其中只要每新增2016個(gè)區(qū)塊，難度值就會(huì)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的公式為新難度值=舊難度值*（過(guò)去2016個(gè)區(qū)塊耗費(fèi)的時(shí)長(zhǎng)/20160min）［14］。

POW在對(duì)區(qū)塊達(dá)成共識(shí)的過(guò)程中，可能存在分叉問(wèn)題，因此為了保證各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性，POW設(shè)計(jì)一筆交易被全網(wǎng)確認(rèn)需要6個(gè)區(qū)塊被確認(rèn)，即一個(gè)小時(shí)。故POW是保證了可用性和分區(qū)容錯(cuò)性，對(duì)一致性進(jìn)行了弱化。

3.2.2 權(quán)益證明機(jī)制（POS）

POS是以系統(tǒng)相關(guān)的權(quán)益為依據(jù)來(lái)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)某個(gè)區(qū)塊的記賬權(quán)。這里通過(guò)點(diǎn)點(diǎn)幣的共識(shí)來(lái)說(shuō)明POS共識(shí)算法的流程，如圖2。點(diǎn)點(diǎn)幣選取的權(quán)益是幣齡，節(jié)點(diǎn)獲得記賬權(quán)的機(jī)會(huì)與幣齡大小成正比，其中幣齡=幣數(shù)*持有幣的天數(shù)［15］。

圖1 比特幣POW共識(shí)流程圖

圖2 POS共識(shí)算法流程

POS目標(biāo)值的調(diào)整是由兩個(gè)區(qū)塊生成的時(shí)間間隔決定的，出塊速率控制在10min一個(gè)，當(dāng)一個(gè)區(qū)塊被加入后，經(jīng)過(guò)多個(gè)區(qū)塊的確認(rèn)，默認(rèn)其被全網(wǎng)寫入。以CAP理論為指導(dǎo)，POS采取的是弱化一致性，換取高可用性和分區(qū)容錯(cuò)性。

3.2.3 股份授權(quán)證明機(jī)制（DPOS）

股份授權(quán)證明機(jī)制是由所有節(jié)點(diǎn)投票選出見(jiàn)證人，見(jiàn)證人有生成區(qū)塊的權(quán)利。這里以比特股采用的DPOS機(jī)制為例，詳細(xì)說(shuō)明其共識(shí)的過(guò)程，如圖3。其中，節(jié)點(diǎn)投票的權(quán)重與持有的比特股數(shù)成正比。

圖3 DPOS共識(shí)過(guò)程

DPOS中，每個(gè)見(jiàn)證者有2s的時(shí)間生成區(qū)塊，當(dāng)所有見(jiàn)證者一次循環(huán)結(jié)束后，該區(qū)塊得到確認(rèn)。由此可見(jiàn)，股份授權(quán)證明機(jī)制是達(dá)到最終一致的狀態(tài)。因此以CAP理論為指導(dǎo)，DPOS采取的是弱化一致性，換取高可用性和分區(qū)容錯(cuò)性。

3.2.4 實(shí)用拜占庭容錯(cuò)協(xié)議（PBFT）

PBFT中R代表系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的集合，假設(shè)故障節(jié)點(diǎn)數(shù)為f個(gè)，則整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為|R|=3f+1。因此為了保證系統(tǒng)的一致性，至少需要2f+1個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)才能達(dá)成共識(shí)。具體的共識(shí)流程如圖4。其中V代表視圖的編號(hào)，N代表當(dāng)前請(qǐng)求的編號(hào)，n指的是i節(jié)點(diǎn)的stable checkpoint的編號(hào)，M指的是消息的具體內(nèi)容，d或D（m）指的是消息內(nèi)容提取的摘要，i代表當(dāng)前節(jié)點(diǎn)編號(hào)，C代表2f+1個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效checkpoint信息的集合，P代表i節(jié)點(diǎn)中上一個(gè)view中編號(hào)大于n并且到達(dá)prepared狀態(tài)的請(qǐng)求消息的集合，O代表pre-prepare消息的集合。

圖4 PBFT共識(shí)過(guò)程

從PBFT的共識(shí)流程發(fā)現(xiàn)，PBFT不需要經(jīng)過(guò)多個(gè)區(qū)塊的確認(rèn)，只需要至少2f+1個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)即可，一旦共識(shí)不可修改，可見(jiàn)其注重一致性，那么只能對(duì)可用性作一定的妥協(xié)。一旦故障節(jié)點(diǎn)大于m，那么系統(tǒng)就不能繼續(xù)執(zhí)行客戶端的請(qǐng)求。因此PBFT采取的是弱化可用性，換取強(qiáng)一致性和分區(qū)容錯(cuò)性。

3.2.5 Paxos共識(shí)算法

Paxos算法包括客戶端（Client）、提議者（Proposer）、接受者（Acceptor）、學(xué)習(xí)者（Learner）、領(lǐng)導(dǎo)者（Leader）五個(gè)角色，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)是多種角色。具體的共識(shí)流程如圖5。其中流程中的f代表最多可能出現(xiàn)的故障接受者節(jié)點(diǎn)，那么至少需要2f+1個(gè)接受者節(jié)點(diǎn)。

圖5 Paxos算法共識(shí)過(guò)程

從Paxos共識(shí)算法流程來(lái)說(shuō)，其只需要f+1個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)即可，一旦共識(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的賬本將保持一致，不需等待。因此Paxos是保證了強(qiáng)一致性和分區(qū)容錯(cuò)性，而對(duì)可用性進(jìn)行了弱化。

3.2.6 Raft共識(shí)算法

Raft算法將節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)分為領(lǐng)導(dǎo)人（leader）、候選者（candidate）、跟隨者（follower）三種狀態(tài)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能同時(shí)處于一種狀態(tài)。其中領(lǐng)導(dǎo)人只有一個(gè)。具體的共識(shí)流程如圖6。

Raft共識(shí)算法將所有的權(quán)利交給領(lǐng)導(dǎo)人，只要領(lǐng)導(dǎo)人加入新交易記錄，那么其他的跟隨者也必須將交易寫入自己的賬本。各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)始終保持一致。故Raft是在確保強(qiáng)一致性和分區(qū)容錯(cuò)性的情況下，對(duì)可用性進(jìn)行了一定的弱化。

圖6 Raft共識(shí)流程

4 共識(shí)機(jī)制的比較

根據(jù)上述的分析，我們將共識(shí)機(jī)制的分析結(jié)果總結(jié)為表1。

表1 各共識(shí)機(jī)制的分析對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文從CAP理論的角度，對(duì)區(qū)塊鏈的部分共識(shí)算法進(jìn)行了分析與總結(jié)。首先給出了共識(shí)機(jī)制的定義，并說(shuō)明了分析思路；然后以流程圖的形式詳細(xì)說(shuō)明了部分共識(shí)機(jī)制的流程，并從CAP理論的角度按照分析思路給共識(shí)機(jī)制進(jìn)行了分析；最后進(jìn)行了總結(jié)。目前區(qū)塊鏈的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多，本文的分析為區(qū)塊鏈的應(yīng)用提供了參考價(jià)值。我們可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求，選取滿足需求的共識(shí)算法。