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在我们定义区块链共识算法之前,了解“共识”的含义至关重要。简而言之,这是一种达成协议的方式。区块链是一个分散的系统,没有单一的管理元素。为了在彼此之间建立某种信任,参与者应该就一些让每个人都满意的操作原则达成一致。这是共识机制的固有功能。

那么,什么是区块链共识算法?它是指在网络用户之间建立协议并维护网络可操作性的一组特定数学规则和函数。共识机制确保区块链得到更新,交易以正确的顺序和方式处理,链内容的完整性在分布式网络的各个节点上得到保护。

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共识与协议

术语“协议”和“共识”通常被视为同一事物。但是,协议定义了区块链功能的基本规则,而共识则充当了一种使操作成为可能的机制。共识算法有助于系统采取特定措施来实现某些结果。在区块链中,算法用于验证交易和区块。因此,比特币和以太坊是协议,而工作量证明和权益证明是它们的共识算法。

解决新世界问题的旧世界方法

分布式共识的范式不是特定于区块链的,旨在为许多其他分布式系统(例如,NoSQL 数据库)提出解决方案。拜占庭共识的问题(当节点“行为不端”时)最初是在 1980 年代提出的,解决它的方法出现在 1990 年代后期。

但是,区块链在操作方面与其他网络不同。在传统的拜占庭共识算法中,参与者的身份通过签名或加密原语进行验证,并且所有节点都是预先知道的。它们很少以可预测的方式改变。对于比特币区块链,机制正好相反。

网络参与者保持匿名,他们可以连接或断开网络。同时,区块链具有一定的属性,例如禁止审查和客观性(要确定交易日志的当前版本,您不需要信任任何权威来源——信任的根源在区块链本身)。

让我们仔细看看区块链中使用的不同共识机制。

工作证明(PoW)

这种机制用于比特币算法。要验证交易,参与者需要公开证明已完成的工作。此规则可在攻击者创建假选民的情况下保存系统完整性。完成的工作越多,生成新区块的速度就越快,矿工获得奖励的速度就越快。从去中心化和匿名的角度来看,PoW 被认为是最简单同时也是最稳定的算法。目前它用于 BTC、LTC、DOGE 和其他一些加密货币。

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权益证明 (PoS)

股权证明与公司股东之间的投票非常相似——拥有多数股份的股东拥有最高的投票权。因此,这不是投票数量的问题——而是关于他们的体重。

PoS 的优势在于参与者诚实地确认交易的动机。在 PoW 中,理论上可以进行 51% 的攻击,尽管这对黑客来说毫无意义。在 PoS 系统中,如果超过一半的利益相关者联合起来并提供资金,则可能发生攻击。

到目前为止,还没有经过时间考验且 100% 安全的基于 PoS 的方法,它们都在开发中。同时,开发者正试图通过 Casper 协议将 PoW 和 PoS 的优势统一在新的以太坊共识算法中。

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委托权益证明 (DPoS)

DPoS 于 2014 年出现,用于 EOS、Steemit、Ark、List 和 BitShares 等区块链。Delegated Proof-of-Stake 背后的主要思想是每个用户都可以投票给代表——那些批准交易的人。代表的身份是事先知道的。

拥有最高共识代币数量的所有者拥有最高的投票权。一个客户可以投票给多个代表。选择代表后,他们将随机生成区块并验证交易。随着每个区块的创建,代表的评级都会增加。如果一个区块生成者被怀疑作弊,其他候选人可以通过批准正确的交易并生成适量的区块来取消他们的行为。

在所有 DPoS 算法中,参与者持有的代币都用于质押——挖矿的替代方案。但是,在这种情况下,通过持有硬币来获利。

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重要性证明 (PoI)

重要性证明 (PoI) 加密共识是用于 NEM 区块链的 PoS 的扩展版本。该算法除了考虑使用硬币的参与者数量外,还分析了用户的行为。例如,参与者转移硬币的地点、时间和频率。这样,权力就不会集中在最富有的参与者手中。

通过将优先投票权授予具有最佳声誉的参与者来维持稳定性。该协议鼓励那些经常使用该货币进行交易并与其他参与者互动的人,同时增加他们的整体活动。POI 考虑的其他标准包括 1) 帐户活动时间;2)可用硬币的数量。

重要性证明解决了 POW 算法的严重缺点——集中化和能源成本。该算法涉及以从一个账户转移到另一个账户所收到的佣金形式进行挖掘。

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燃烧证明 (PoB)

在这种情况下,矿工将硬币发送到生成哈希的随机地址,因此几乎不可能从该地址花费资金,因为暴力破解密钥的概率接近于零。随着销毁的硬币数量的增加,区块挖掘的机会也会增加。从经济上讲,这个燃烧硬币的过程可以被认为是购买采矿设备。自然地,这种算法仅在加密货币存在的后期才有意义,当有一些东西要“烧掉”时。这种方法也非常适合从“旧”到“新”加密货币的转移。

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权威证明 (PoA)

PoI 共识机制在 2015 年由以太坊的 Gavin Wood 提出,越来越受欢迎。它解决了权益证明忽略的一个问题。在 PoS 中,假设权力集中在最大的代币持有者手中,但这并不一定意味着拥有相同数量代币的人对网络维护同样感兴趣。PoA 背后的理念是,人们投入的不是他们的硬币,而是他们的身份。PoA 中的验证者需要维持良好的区块开采权声誉。

因此,无需考虑验证者之间的货币差异。然而,身份要求使得 PoA 不适用于比特币等大型网络。此外,具有验证经验的实体最普遍被接受,因此普通人几乎不可能成为验证者。PoA 非常适合:

· 企业级网络,例如 The Waves 企业区块链平台。
· 测试网。例如,Polkadot 在切换到 PoS 之前在 PoA 上推出了 beta 版本。
· 侧链。通过双向网桥连接的以太坊 POA 网络依赖于预先选择的验证者,这些验证者的身份是已 知且经过验证的。

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拜占庭容错 (BFT)

多重签名和拜占庭容错共识算法值得一起考虑。它们用于在有限的一群人之间达成协议。在多重签名的情况下,这些只是少数参与者,在拜占庭容错中,有几十个。拜占庭容错只有在各方相互认识时才有意义。

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联邦拜占庭协议 (FBA)

FBA 去中心化共识最初是在 Ripple 中实现的,后来由 Stellar Consensus Protocol (SCP) 增强。该机制允许在总数未知的大量参与者之间达成一致。

每个参与者信任有限数量的其他参与者,形成一个“信任圈”或“法定人数”,在其中他们很容易达成协议。因此,仲裁是解决方案正确所需的最小节点数。最终,许多仲裁以某种方式允许在整个网络中达成完全一致。反过来,“Quorum slices”是一组节点,足以证明另一个节点的有效性。

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其他算法


经过时间的证明

它根据等待的时间随机决定块生成器。为此,每个节点都被分配了一些随机等待时间。时间最先完成的用户将产生一个块。只有当系统可以验证没有用户在操作多个节点并且时间是真正随机的时,这种方法才适用。

能力证明

另一个有趣的公共共识定义方法,PoC 是通过解决存储在硬盘上的数学难题来实现的。当设备充满计算时,它可以为用户提供生产块。因此,容量最高的参与者有更高的机会生产区块。

活动证明

这是 PoW 和 PoS 的结合,这意味着用户既可以挖矿也可以质押代币。在这种情况下,矿工生成新区块以获得代币奖励,但区块不包括交易。相反,这些是空模板,包括交易标题和区块奖励地址的可用空间。之后,随机选择一个验证节点对一个区块进行签名并确认它的账本。网络费用由矿工和区块验证者分摊。

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它们越来越受欢迎,因为它们具有解决可扩展性问题的潜力。DAG 是基于拓扑排序的数据有向图。它的发展只在一个方向上进行——从早期区块到晚期区块。

由于无块设备,所有交易都在 DAG 网络上进行,因此这个过程比 PoW 和 PoS 花费的时间要少得多。DAG 网络上没有矿工。确认是直接在交易本身中进行的,因此它们会立即得到处理。

总结

区块链共识算法是任何网络的重要组成部分。它定义了整个治理过程,并确保参与者在遵守规则的同时保持数据块的完整性。如本文所示,使用了各种共识机制来实现用户之间的协议,但到目前为止,没有一个被证明是完美的。每种方法都有利有弊,应根据加密货币和底层区块链的性质进行选择。

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