區(qū)塊鏈的共識機制研究

翟冉, 陳學斌＊

1.華北理工大學理學院，河北 唐山 063210

2.河北省數(shù)據(jù)科學與應用重點實驗室（華北理工大學），河北 唐山 063210

3.唐山市數(shù)據(jù)科學重點實驗室（華北理工大學），河北 唐山 063210

引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的交流與交易越來越多。與此同時，網(wǎng)絡(luò)交易中的不規(guī)范的行為越來越多。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交易的可監(jiān)管性，區(qū)塊鏈技術(shù)順勢而來。區(qū)塊鏈具有去中心化、不可篡改、可追溯等特征[1]。由于去中心化的特點，區(qū)塊鏈引入了共識機制來確保節(jié)點記賬的一致性與有效性[2]，共識機制是區(qū)塊鏈的核心技術(shù)之一。區(qū)塊鏈的共識機制主要有PoW共識機制[3]、PoS共識機制[4]、DPoS共識機制[5]、POA共識算法[6]和PBFT共識算法[7]等。PoW機制為工作量證明機制，區(qū)塊鏈中的節(jié)點獲得的獎勵取決于它們在挖礦時產(chǎn)生的算力；PoS機制為權(quán)益證明機制，主要是根據(jù)持幣的數(shù)量和時間來分配記賬權(quán)；DPoS共識機制為股份授權(quán)證明，是PoS機制的延伸；POA共識算法為權(quán)威證明，主要靠選舉出來的權(quán)威人士決定記賬權(quán)；PBFT算法是拜占庭容錯算法，來自拜占庭將軍模型。這五種共識機制是較經(jīng)典的共識機制?；谶@幾種共識機制，針對它們的不足，出現(xiàn)了適合于特定場景的新型共識機制，主要有Tendermint共識機制[8]、Ouroboros[9]、蜜獾算法[10]等。

本文的主要貢獻如下：

（1）從比特幣和以太坊中不同技術(shù)的角度介紹了區(qū)塊鏈的發(fā)展過程。

（2）介紹了五種較常見的共識機制并對其優(yōu)缺點進行比較。

（3）對共識機制的最新研究成果進行了介紹。

1 區(qū)塊鏈的發(fā)展背景

1.1 比特幣的發(fā)展

2008年，“中本聰”發(fā)布了比特幣白皮書，提出了一種點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)[11]。區(qū)別于數(shù)字簽名需要采用第三方的參與才能防止雙重花費，這種系統(tǒng)只需要將所有交易都用哈希函數(shù)的形式存在時間戳里，將所有的哈希函數(shù)連接起來形成一種工作量證明，這種證明便是交易記錄。區(qū)塊鏈技術(shù)是指在沒有任何可信第三方參與的情況下，兩個互不知道身份的用戶可以進行可信的交易。沒有第三方的參與，可以為交易雙方節(jié)省大筆費用，實現(xiàn)了完全的去中心化，除此之外，基于第三方的交易默認第三方是可信的，區(qū)塊鏈技術(shù)減少了可能由于第三方的泄漏導致的數(shù)據(jù)泄漏的風險。區(qū)塊鏈中可追蹤和不可篡改的特征使區(qū)塊鏈的安全性得到保證，從而廣為用戶所用，也使現(xiàn)下網(wǎng)絡(luò)時代大環(huán)境的交易變得可監(jiān)管。與此同時，區(qū)塊鏈也有很多弊端，比如用戶的隱私性可能受到威脅。由于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)是開源共享的，這也帶來了區(qū)塊鏈被不法分子攻擊導致數(shù)據(jù)泄漏以及用戶和交易被泄漏的風險。同時，區(qū)塊鏈的性能和吞吐量較低，大多犧牲性能和吞吐量來換取安全性，比特幣的吞吐量僅為每秒進行5-7筆交易[12]。比特幣中的腳本簡單，無法在區(qū)塊鏈上直接編寫代碼并進行代碼的運行。

1.2 以太坊的發(fā)展

2014年，以太坊技術(shù)應運而生，以太坊技術(shù)是由Vitalik Buterin提出的[13]。以太坊技術(shù)的吞吐量大約為每秒25個交易左右[14]。以太坊是最早在區(qū)塊鏈中引入了智能合約機制的，開啟了區(qū)塊鏈智能合約的先河[15]。比特幣中的基于棧的腳本語言是智能合約機制的前身，與比特幣技術(shù)中簡單的基于棧的腳本語言相比，以太坊中的智能合約機制可以實現(xiàn)直接在區(qū)塊鏈上進行高級代碼的編寫和運行。智能合約可以實現(xiàn)審計功能，使執(zhí)行過的代碼和數(shù)據(jù)在需要的情況下被查找到。智能合約具有數(shù)據(jù)公開透明、數(shù)據(jù)和代碼不可篡改、代碼永久運行三個特性。以太坊區(qū)塊鏈平臺可以提供編程語言編寫智能合約。智能合約中的部分節(jié)點遭到攻擊不會影響整個智能合約中代碼的運行。

2 證明類共識機制

區(qū)塊鏈中各個獨立節(jié)點享有相同的權(quán)利，由于區(qū)塊鏈去信任化的特點，為了使各個節(jié)點可以相互信任，引入了共識機制[16]。區(qū)塊鏈中的區(qū)塊通過哈希連接構(gòu)成全局賬本，全局賬本中包含交易的內(nèi)容，共識機制保證各節(jié)點具有相同全局賬本[17]。

證明類共識機制的形式為POX，主要原理是節(jié)點證明自己符合擁有記賬權(quán)的特點，擁有記賬權(quán)。共識機制中有工作量證明POW共識機制；有股權(quán)證明POS共識機制；有股份授權(quán)證明DPOS共識機制；有權(quán)威證明POA共識機制；POP共識機制為參與度證明機制，根據(jù)重要節(jié)點的參與程度劃分記賬權(quán)，它是POI共識機制和DPOS共識機制的結(jié)合體；還有POC貢獻共識機制[18]，根據(jù)貢獻的大小分配權(quán)利；POET共識機制為流逝時間量證明；Proof of Burn為燒毀證明，是指創(chuàng)建區(qū)塊的用戶為新創(chuàng)建的貨幣支付費用，合約幣就是通過燒毀比特幣得到的；Proof of Believability為可信度證明機制，持有資金數(shù)量多和信譽良好的用戶可以獲得記賬權(quán)；Proof of Credit共識機制為信用證明機制，信用良好的節(jié)點通過交納保證金獲得建塊資格。本文主要介紹POW、POS、DPOS和POA這四種較常見的證明類共識機制。

2.1 POW共識機制

POW共識機制為工作量證明，它是按勞分配的，融合了經(jīng)濟激勵和共識機制[19]。在比特幣中，礦工利用計算機的算力進行挖礦并獲得獎勵。比特幣用的便是POW工作機制[20]，比特幣應用了SHA256算法，這種算法計算時需要大量算力但驗證結(jié)果是正確的很容易，最先計算出結(jié)果的節(jié)點獲得比特幣獎勵和記賬權(quán)。POW共識算法是區(qū)塊鏈中共識算法的鼻祖，公有鏈大多用的是POW共識算法。POW工作機制面臨51%攻擊問題[21]，這意味著如果攻擊者愿意花費比誠實節(jié)點多的算力，可能會破壞交易的進行，但是惡意破壞者如果選擇通過計算機的算力對區(qū)塊鏈進行破壞，必須要用比挖礦更多的算力，所以更多的人會選擇的獲取利益的方式是挖新幣而不是攻擊。這一特征保證了挖礦機制的安全。

區(qū)塊鏈中算力主要是用來利用哈希算法計算哈希值[22]。但是由于區(qū)塊鏈中并不是對每筆交易進行哈希值的計算，而是建塊后對區(qū)塊進行統(tǒng)一的哈希計算，因為區(qū)塊鏈中建塊的速度慢和建塊之間需要等待的時間，會無端消耗大量算力。下面對POW共識機制的優(yōu)缺點進行介紹。

優(yōu)點：

（1）POW共識機制的算法簡單易懂，容易實現(xiàn)。通過求解哈希函數(shù)的算力選舉建立區(qū)塊的節(jié)點。

（2）節(jié)點可以自由進入?yún)⑴c，具有完全的去中心化。

（3）惡意節(jié)點需要投入51%的算力才可以作弊，作弊的成本高于正常挖礦的成本，所以安全性極高。

（4）系統(tǒng)可以接收大量的節(jié)點參與。

缺點：

（1）挖礦造成大量的資源浪費。

（2）為了保證去中心化，區(qū)塊的確認時間難以縮短，共識達成的周期較長，不適合商業(yè)應用。

（3）如果有人能控制51%的算力，就會有被攻擊的風險。

POW共識機制的應用場景最典型的是比特幣，針對POW共識機制在進行工作量證明時浪費大量算力的缺點，可以將POW共識機制的算力用來計算其它有研究價值的問題來證明工作量，取代之前的將大量算力進行哈希計算，這樣可以將大量算力合理利用。除此之外，POS共識機制便是POW共識機制的改進，POS共識機制使用虛擬算力代替實際算力節(jié)省了大量資源。

2.2 POS共識機制

POS共識機制為股權(quán)證明，根據(jù)持幣的數(shù)量和時間來進行獎勵，持幣數(shù)量越多、時間越長，獎勵越多[23]。POS共識機制解決了POW共識機制中浪費大量的時間和算力的缺點。但由于挖礦成本低，不需要消耗大量的算力，POS工作機制的安全性低，可能會產(chǎn)生雙重花費，而且很難對礦工產(chǎn)生激勵。POS機制還會給每一筆花費利息，花費的金額越大，幣的時間越長，利息越高。大多數(shù)情況下POS共識機制可以和POW共識機制融合，以太坊應用了兩者融合的共識機制[24]。POS共識機制的優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點：

（1）節(jié)省了大量的資源，與POW共識機制相比，節(jié)點不需要消耗額外算力用來挖礦，節(jié)省了大量的算力。

（2）節(jié)省了生成區(qū)塊的時間和達成共識的時間，共識效率有所提高。

缺點：

（1）算法復雜難實施，安全性較差。

（2）擁有代幣的用戶選擇持幣收獲利息，不愿意賣幣，交易量減小，可能會造成壟斷，持幣多的用戶可能會遭受攻擊。

（3）挖礦成本低，容易造成攻擊。

（4）容易產(chǎn)生雙重花費。

（5）仍然需要挖礦。

POS共識機制的主要應用場景有點點幣等。針對POS共識機制中擁有代幣的用戶可能用收取利息的盈利方式來代替賣幣導致交易量減少的問題，可以將幣的價值隨著時間的推移逐漸減少，2014年提出的POSV共識機制便將幣的價值和時間的關(guān)系設(shè)置為衰減函數(shù)，POSV共識機制應用于瑞迪幣中。2017年提出的應用于艾達幣中的Ouroboros共識機制[25]可以對礦工的交易產(chǎn)生激勵作用，有利于交易的正常進行。

2.3 DPOS共識機制

DPOS共識機制為股份授權(quán)證明[26]，是POS共識機制的延伸，在2014年由Bitshares比特股的創(chuàng)始人Dan Larimer提出。DPOS先選舉出一部分代表，由代表實行記賬權(quán)利，與POS共識機制相比，DPOS共識機制減少了很大部分的參與記賬和建塊的節(jié)點，建塊效率高。但是由于選舉的過程可能需要消耗時間和算力，會造成很多節(jié)點偷懶放棄投票，同時可能會有擁有投票權(quán)的節(jié)點收到賄賂，使某些節(jié)點非法獲得記賬權(quán)。DPOS共識機制的優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點：

（1）節(jié)省了大量的資源。

（2）節(jié)省了新建區(qū)塊的時間，共識效率從而提高。

（3）不需要用大量算力來挖礦，由選舉出來的節(jié)點進行驗證，共識效率高。

缺點：

（1）去中心化程度較低。

（2）仍然需要代幣參與共識機制。

（3）可能會存在作弊情況。擁有高權(quán)益的節(jié)點可能會為自己投票，選舉過程中可能會有節(jié)點賄賂其他節(jié)點選舉自己。

DPOS共識機制的應用場景主要有EOS，相比于比特幣每秒7筆交易的吞吐量和以太坊技術(shù)每秒25筆交易的吞吐量，EOS可完成每秒數(shù)十萬筆交易的吞吐量。DPOS共識機制的主要缺點之一為可能會存在節(jié)點為自己投票或買通別人為自己投票的不公平現(xiàn)象，針對這個缺點，陳夢蓉等人提出了將激勵模式運用到DPOS共識機制中[27]。這種模式有效激勵擁有投票權(quán)的節(jié)點積極投票并減少了非法操作的機會。

2.4 POA共識機制

POA共識機制是由Gavin Wood提出的共識機制，它是一種權(quán)威證明[28]。POA共識機制的工作過程為首先選舉出一名權(quán)威人士A，當出現(xiàn)新的交易的時候，所有參與者把交易發(fā)給A，由A進行驗證，并把數(shù)據(jù)發(fā)給其他節(jié)點。由于POA共識機制是由權(quán)威人士負責記賬的，所以能很有效地防止雙重花費。假如B花費了1幣同時用于C和D交易，A可以根據(jù)時間先后決定該幣被合法用于哪一筆交易，另一筆交易視為不合法。但是POA共識機制存在著中心化的問題，如果A產(chǎn)生了作弊的想法或者被惡意控制，都會影響整個共識機制。POA共識機制的優(yōu)缺點如下：

優(yōu)點：

（1）共識速度快。由于不需要挖礦，驗證節(jié)點的數(shù)量也不多，所以提高了效率。

（2）防止雙重花費。

缺點：

（1）POA共識機制需要許可才能參與。

（2）去中心化程度低。

（3）更適用于私有鏈和聯(lián)盟鏈。

POA共識機制的應用場景主要有POA.Network。POA的主要問題之一在于可能會有權(quán)威人士叛變，為了解決這個問題，可以采用多個權(quán)威人士相互制約的方式。

3 拜占庭共識機制

拜占庭共識機制源自于拜占庭將軍模型，是由Leslie Lamport于1982年提出的[29]。拜占庭將軍模型是指分布在一定距離之內(nèi)的各個將軍想要攻打帝國，他們事先需要達成協(xié)議，但是由于可能有叛徒的存在擾亂秩序傳播錯誤的指令，拜占庭將軍模型可以保證不多于三分之一的節(jié)點不可信時仍然能使可信節(jié)點相互信任達成協(xié)議。這個協(xié)議有兩個前提，首先，誠實的將軍必須接收到相同的命令；其次，所有誠實的將軍發(fā)送的命令都會被誠實的將軍接收[30]。由BFT共識機制引申出了一系列的共識機制。最常用的拜占庭共識機制之一為PBFT實用拜占庭容錯算法。除此之外還有SBFT簡單拜占庭共識協(xié)議[31]；DBFT為授權(quán)拜占庭共識算法。Paxos共識算法由Leslie Lamport 于1990年提出[32]，是一種基于拜占庭協(xié)議的共識算法；斯坦福大學的教授在2014年發(fā)表了新的分布式協(xié)議 Raft[33]。Raft共識算法與Paxos共識算法運行效率相同，但是更加簡單易懂，多被用于開發(fā)中。

3.1 PBFT算法

PBFT算法為實用拜占庭容錯算法，是由Miguel Castro和Barbara Liskov于1999年提出來的[34]。PBFT共識機制相比于BFT共識機制效率得到了很大的提升，目前大多數(shù)聯(lián)盟鏈都使用了PBFT算法[35]，例如Hyperledger Fabric便應用了PBFT算法，但PBFT算法不能用于公有鏈。PBFT共識機制采用密碼學中的非對稱加密RSA算法確保傳輸信息時的安全性。RSA算法可以使消息的接收方確定消息發(fā)送方的身份，還可以保證傳輸?shù)男畔⒈Ｃ懿⑶也槐淮鄹摹BFT算法的工作流程如下：

（1）先選出一個主節(jié)點。

（2）客戶端把需求發(fā)給主節(jié)點，主節(jié)點將交易進行排序并轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)點。

（3）所有節(jié)點將交易轉(zhuǎn)發(fā)給全網(wǎng)其他節(jié)點。

（4）若一個節(jié)點收到2/3來自其他節(jié)點的相同的指令，就向所有節(jié)點發(fā)送允許命令。

（5）若允許命令超過2/3，證明該交易合理并可以進入?yún)^(qū)塊鏈中。

優(yōu)點：

（1）可信節(jié)點由全體參與共識的用戶決定。

（2）可擴展性強。

（3）共識速度快、效率高。

缺點：

（1）部分去中心化。

（2）不適用于公有鏈。

PBFT共識算法的主要應用場景有Hyperledger Fabric。PBFT算法是將交易與投票串行進行，每次創(chuàng)建新的區(qū)塊要經(jīng)過三次投票，消耗大量的算力，降低了區(qū)塊鏈的效率。2014年，Tendermint共識機制[36]被提出，Tendermint只需要進行兩次投票，相比于PBFT共識機制有了很大進展。北航鏈[37]使用了CBFT并發(fā)拜占庭共識協(xié)議，它將交易與投票并行進行，是由蔡維德的團隊于2015年提出的，創(chuàng)新過的并發(fā)拜占庭共識協(xié)議大大地提高了效率。

3.2 拜占庭共識機制的最新研究成果

隨著區(qū)塊鏈中共識機制的不斷發(fā)展，拜占庭共識算法也經(jīng)過了很多創(chuàng)新和改進。2014年，瑞波共識機制[38]出現(xiàn)，瑞波共識機制主要用于瑞波幣中，相比于比特幣建塊和確認需要數(shù)十分鐘，瑞波幣建塊和確認只需要幾秒鐘，這極大地提高了共識效率，瑞波共識機制解決了異步通信中延遲性高的問題。2016年，提出了“蜜獾算法”[39]，“蜜獾算法”是第一個接近實用的異步共識算法，已經(jīng)被應用于區(qū)塊鏈技術(shù)中。2021年，中科院軟件研究所的張振峰團隊聯(lián)合美國唐強團隊提出了“小飛象”算法[40]，該算法的吞吐量高，延遲時間短，是首個完全實用的異步共識算法。路遠博士團隊還提出了“小飛象多值共識算法”[41]，該算法在共識效率和通信成本等性能上都達到了區(qū)塊鏈異步共識算法的理論最優(yōu)標準。

4 幾種共識機制的比較

每種共識機制都有各自的優(yōu)缺點，表1對幾種共識機制的特點進行了比較。

表1 幾種共識機制特征比較Table 1 Comparison of the characteristics of several consensus mechanisms

區(qū)塊鏈中的每種共識機制都有自己的特征和優(yōu)缺點，每一種共識機制適用于不同的場景，我們無法比較區(qū)塊鏈中的共識機制的好壞。這些共識機制根據(jù)它們自己的特性有適合的幣種。POW共識機制應用廣泛，用于比特幣、以太坊、比特幣現(xiàn)金、比原鏈、Litecoin萊特幣、Dogecoin狗狗幣、門羅幣、達世幣、零幣等。應用POS共識機制的有EOS柚子幣、量子鏈、阿童木幣、雷電網(wǎng)絡(luò)、BitShares比特股、Nxt未來幣、Black coin黑幣、萬維鏈等。應用DPOS共識機制的有BitShares比特股、EOS柚子幣等。POA共識機制和POS共識機制都不需要挖礦，節(jié)省了很大一部分算力，但是POA共識機制是由身份決定的。應用POA共識機制的有POA.Network等。Hyperledger Fabric、Stellar、Ripple等采用PBFT共識算法。

5 總結(jié)

區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)代表了數(shù)字貨幣經(jīng)濟時代的到來。但是，網(wǎng)絡(luò)交易中的隱私問題和區(qū)塊鏈分布式賬本的一致性問題也產(chǎn)生了。去中心化的特點使區(qū)塊鏈避免了中心化機構(gòu)被入侵可能帶來的損失。但是去中心化的特點使區(qū)塊鏈的節(jié)點難以達成一致，區(qū)塊鏈的共識機制使區(qū)塊鏈之間的各個獨立節(jié)點可以在不泄漏數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)相互信任，這解決了記賬節(jié)點一致性和有效性的問題。但是區(qū)塊鏈的共識機制仍然還面臨一些挑戰(zhàn)，區(qū)塊鏈的共識機制還有可進步之處，未來我們可以針對以下幾個方面進行研究：

（1）區(qū)塊鏈的共識效率仍有待提高，可以從提高區(qū)塊鏈的共識速度的角度來研究。

（2）區(qū)塊鏈的共識過程中仍然有參與節(jié)點不配合等情況，可能會對共識過程的公平性產(chǎn)生影響，未來可以從該方面進行改進。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。