区块链常见共识算法

ゞ浴缸里的玫瑰 2021-09-15 06:02 378阅读 0赞

[https://hiberabyss.github.io/2018/03/01/blockchain-consensus][https_hiberabyss.github.io_2018_03_01_blockchain-consensus]

# 区块链常见共识算法 #

Mar 1, 2018  | 824 阅读

文章目录

1.  [1. PoW (Proof of Work)][1._PoW _Proof of Work]
    
    1.  [1.1. 优点][1.1.]
    2.  [1.2. 缺点][1.2.]
2.  [2. PoS (Proof of Stake)][2._PoS _Proof of Stake]
    
    1.  [2.1. 优点][2.1.]
    2.  [2.2. 缺点][2.2.]
3.  [3. DPoS (Delegated Proof of Stake)][3._DPoS _Delegated Proof of Stake]
    
    1.  [3.1. 优点][3.1.]
    2.  [3.2. 缺点][3.2.]
4.  [4. References][4._References]

本文主要介绍现有区块链技术里常见的共识算法: PoW, PoS, DPoS 等.

区块链本质上讲是一个去中心化的分布式账本, 会同时存在多个节点往这个账本里写数据. 由于整个系统所有节点都是平等的, 不存在中心节点, 就会存在下面的问题:

*  当多个节点同时往区块链中添加数据时, 应该选择那部分数据写入到最终的区块链中

PoW 等共识算法就是解决这个问题的方案.

# PoW (Proof of Work) #

PoW 对节点提交的区块 B 的格式有如下的要求:

H(B)≤targetH(B)≤target

其中 H 是某种 hash 算法, target 是一个固定的数. 也就是说整个区块的 hash 值要小于某个给定的数 target. 只有当区块满足这个条件时才是一个合法的区块, 这个区块才能够被别的节点接受. 而当某个节点找到了这样的合法的区块, 也就是挖到了矿, 会获得一定的数字货币奖励. 这也就解决了无中心多节点的结果决策问题: 整个网络采用最早找到合法区块的节点的数据.

哈希函数产生的 hash 值是随机的, 而且对原始数据一个很小的改动就能使得 hash 值和之前完全不一样. 为了能得到一个合法的区块, 我们可以往区块里添加一个冗余的整数 nonce, 通过不断地尝试不同的 nonce 来找到合法的区块 (例如可以从 1 开始不断地累加尝试).

target 的值每隔一段时间就会自动调整, 以保证产生区块的时间是基本固定的, 如比特币会保证每十分钟产生一个新的区块. 当 target 的值越小时, 产生区块的难度就越大. 假定 hash 值的最大值是 HASHmaxHASHmax , 则每一次尝试能找到合法区块的概率为 targetHASHmaxtargetHASHmax . 从这个公式可以看出 target 越小, 每次尝试能找到合法区块的概率也越小.

在比特币中每过 2016 个块 (两周) 便会调整一下 target 的值, 通过下面的公式进行调整:

targetnew=t20162weeks∗targettargetnew=t20162weeks∗target

其中 t2016t2016 表示生成前面 2016 个块所花费的时间. 当花费的时间越短, 最终的 target 值也就越小. 生成块的难度值也可以通过下面的公式得出:

difficulty=target1currenttargetdifficulty=target1currenttarget

其中 target1target1 表示的是区块链中第一个块 (创世块) 的 target 值, 也是最大的 target 值. 它的值是 `0x00000000ffff0000000000000000000000000000000000000000000000000000`

## 优点 ##

*  安全, 完全的去中心化, 主流的数字币都采用了这种方案; 如 BTC，LTC

## 缺点 ##

*  效率低, 平均每秒只能处理 5 到 7 个交易;
 *  会耗费大量电力;

# PoS (Proof of Stake) #

在 PoW 中找到一个合法的区块需要进行大量的计算, 会花费大量的电力和时间. 为了加快生成区块的速度, PoS 中还会综合考虑节点所持有的数字币的份额. PoS 存在很多不同的实现方法, 其中一种混合模式会利用账户余额来调整挖矿难度:

H(B,t)≤balance∗targetH(B,t)≤balance∗target

其中 balance 表示账户余额, t 是一个时间戳, 一般对 t 会有一个时间范围的限制, 例如一个小时, 也就是一个节点最多只能尝试 7200 次.

还有另外一种 PoS 算法, 摘抄自[这篇文章][Link 1] :

> POS：也称股权证明，类似于财产储存在银行，这种模式会根据你持有数字货币的量和时间，分配给你相应的利息。 简单来说，就是一个根据你持有货币的量和时间，给你发利息的一个制度，在股权证明POS模式下，有一个名词叫币龄，每个币每天产生1币龄，比如你持有100个币，总共持有了30天，那么，此时你的币龄就为3000，这个时候，如果你发现了一个POS区块，你的币龄就会被清空为0。你每被清空365币龄，你将会从区块中获得0.05个币的利息(假定利息可理解为年利率5%)，那么在这个案例中，利息 = 3000 \* 5% / 365 = 0.41个币，这下就很有意思了，持币有利息。

## 优点 ##

*  提高了处理效率; 基于 PoS 的 Ethereum 每秒大概能处理 30 笔交易左右.

## 缺点 ##

*  没有 PoW 安全, 容易遭受各种攻击; [这篇博客][Link 2] 有详细介绍

# DPoS (Delegated Proof of Stake) #

DPoS 会通过不同的策略在不同的时间通过投票产生一小群节点, 由这些节点来负责新区块的创建、验证和相互监督. DPoS 和 PoS 的主要区别在于前者会选出若干代理人, 由代理人来完成记账.

## 优点 ##

*  提高了处理效率; 如基于 DPoS 的 EOS 能达到每秒几十万的交易数量
 *  能够对网络进行一定的干预, 减少分叉的出现

## 缺点 ##

*  牺牲了部分去中心化

# References #

*  [PoW，PoS，DPoS 综述][Link 2]
 *  [分布式一致性与共识算法][Link 3]

[https_hiberabyss.github.io_2018_03_01_blockchain-consensus]: https://hiberabyss.github.io/2018/03/01/blockchain-consensus/?hmsr=toutiao.io&utm_medium=toutiao.io&utm_source=toutiao.io
[1._PoW _Proof of Work]: https://hiberabyss.github.io/2018/03/01/blockchain-consensus/#PoW-Proof-of-Work
[1.1.]: https://hiberabyss.github.io/2018/03/01/blockchain-consensus/#优点
[1.2.]: https://hiberabyss.github.io/2018/03/01/blockchain-consensus/#缺点
[2._PoS _Proof of Stake]: https://hiberabyss.github.io/2018/03/01/blockchain-consensus/#PoS-Proof-of-Stake
[2.1.]: https://hiberabyss.github.io/2018/03/01/blockchain-consensus/#优点-1
[2.2.]: https://hiberabyss.github.io/2018/03/01/blockchain-consensus/#缺点-1
[3._DPoS _Delegated Proof of Stake]: https://hiberabyss.github.io/2018/03/01/blockchain-consensus/#DPoS-Delegated-Proof-of-Stake
[3.1.]: https://hiberabyss.github.io/2018/03/01/blockchain-consensus/#优点-2
[3.2.]: https://hiberabyss.github.io/2018/03/01/blockchain-consensus/#缺点-2
[4._References]: https://hiberabyss.github.io/2018/03/01/blockchain-consensus/#References
[Link 1]: http://blog.csdn.net/lsttoy/article/details/61624287
[Link 2]: https://daimajia.com/2017/09/14/pow-and-pos
[Link 3]: https://draveness.me/consensus