芻議區塊鏈共識算法的發展現狀與展望

Ken Jia

摘要：共識算法在區塊鏈中有著至關重要的地位。它不僅可以協調數據的一致性、還對代幣的發行等功能有一定的幫助。自2009年第一個區塊鏈系統誕生至今，區塊鏈的技術一直在進步著，如今已經達到了百花齊放的地步。本文主要介紹了區塊鏈共識算法的產生以及發展，最后還對區塊鏈的未來進行了展望。

關鍵詞：區塊鏈;共識算法;拜占庭容錯;分布式系統

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）32-0034-02

共識問題最早可以追溯到1959年。當時就有關于針對在某個特別定義的概率空間內，討論一組個體如何形成概率共識分布的問題。后來共識問題逐漸進入社會學、經濟學，特別是計算機學領域的時候才廣泛的引起了大家的關注。早起計算機領域內的共識問題還集中在分布一致性上面，其中傳統的分布一致性研究還沒有考慮過拜占庭容錯的問題。直到后來2008年，一名化名為“中本聰”的研究者發布了一篇意義重大的論文，驗證了一類可行的、實用的、互聯網規模的拜占庭容錯算法，自此打開了區塊鏈的新時代大門。

1區塊鏈共識算法發展現狀

1.1區塊鏈框架概述

目前還沒有對于區塊鏈有一個統一的定義，但是普遍來說，區塊鏈是一種將數據區塊按照時間順序排列，同時鏈式結構加密儲存的，不可更改的，去中心化的共享賬本。區塊鏈的框架由數據層、網絡層、共識層以及應用層組成。

數據層包括鏈式結構和數據區塊，其中每個節點都利用了哈希指針來建立數據結構。在數據交易的過程中所涉及的哈希算法、時間戳的要素保證了被交易的區塊數據的不可更改性以及可追溯性。

網絡層封裝了區塊鏈系統當中的消息傳播等要素。區塊鏈是分布式系統，采用P2P網絡來組織全球節點，這些節點讓網絡具備了廣播交易或者區塊、轉發等功能。

共識層包括各種共識算法、這些算法可以實現節點間數據的一致性。應用層則是用來實現各種應用場景實現。

1.2區塊鏈共識算法創立及發展

分布式計算領域的共識問題于1980年提出，該問題主要描述的是在一堆可能發生故障的節點中，如何針對非故障節點對于一定特征值達成共識，后來在1982年該問題被正式命名為“拜占庭將軍問題”。自此分布共識算法可以分為拜占庭容錯問題以及非拜占庭容錯問題。1985年由邁克爾·費舍爾等人提出了FLP不可能定理，在此基礎上產生的各種算法組成了最早的分布一致性算法。1988年布萊恩·奧奇等人提出了采用主機備份模式來保持一致型的VR一致性算法。1989年萊斯利·蘭伯特提出了基于消息傳遞的一致性算法Paxos算法。辛西婭·德沃克于1993年首次提出了工作量證明思想，而在1997年亞當·伯克也提出了用于哈希現金的工作量證明機制。最后由馬庫斯·雅各布松正式提出了“工作量證明”這一正式概念。1999年由Barbara Liskov等提出了實用拜占庭容錯算法。2000年由埃里克·布魯爾教授提出了后來對區塊鏈體系設計帶來影響和限制的布魯爾定理。最后，在2008年由中本聰發表的比特幣共識機制打開了區塊鏈的大門。

1.3共識算法的模型及分類

目前大多數主流共識算法采用的核心思想包括“選主”和“記賬”兩部分，在具體流程中每一個輪次都會分為選主、造塊、驗證和上鏈四個階段。在區塊鏈系統中全體節點可以記為P，負責打包數據的節點記為M，礦工節點中的代表節點為D，最后通過共識過程的記賬節點為A。選主即M→A的過程，一般來說A=1。造塊即用A將特定選擇的內容打包在發往全體的M中。驗證即節點M將接收到包裹進行驗證。上鏈即在包裹通過驗證后更新到區塊鏈末端的行為。

區塊鏈共識模式有很多種區分方法。比如根據容錯類型判斷，可將區塊鏈共識算法分為拜占庭容錯算法和非拜占庭容錯算法;根據部署方式可以將區塊鏈共識算法分為聯盟鏈共識算法、公有鏈共識算法以及私有鏈共識算法，最后還可以將區塊鏈共識算法分為弱一致性共識算法和強一致性共識算法。

2區塊鏈共識算法展望

2.1PoW與POS算法的有機結合

一些研究者將PoW和PoS有機結合起來發明了一些新穎的證明方法。其中有權益一速度證明PoSV、燃燒證明PoB、行動證明PoA以及二跳共識算法。PoSV主要針對在PoS算法中的幣齡與時間呈線性關系這一問題，主要是為了解決貨幣擁有著囤積貨幣的現象，其解決方法就是將幣齡與時間的關系修改為指數衰減的形式，這樣就可以讓持有時間長的貨幣的幣齡增長幅度大幅下降，從而有效遏制屯幣現象。PoB共識算法是為了在網絡中產生新的貨幣而被發明出來的，它通過讓礦工將原有貨幣進行燃燒再進行重新挖掘從而獲得更多的貨幣，來實現貨幣的產生。同時PoB算法使燃燒的貨幣不再被召回，而且對于礦工來說，燃燒的貨幣越多，挖掘出的新的貨幣就會越多。PoA共識算法則是將挖掘出來的一部分貨幣以抽獎的形式獎勵給全部節點，而中獎概率則是直接和權益掛鉤。二跳共識算法則是為了解決PoW潛在的51%算力攻擊問題，從而保障了區塊鏈的安全性。

2.2原生PoW算法的改進

原生PoW算法的改進主要是要將比特幣擴容或降低比特幣的能耗。

2016年Eyal提出了一種新型的共識算法Bitcoin-NG。這種算法主要是在每個時間段上設置了一個領導者，然后利用領導者來生產更多的區塊，從而達共識算法到擴容的目的。同年提出的ByzCoin借鑒了這種思想，在保證強一致性的同時，提高了Paypal的性能以及降低了延遲。2016年提出的Elastico則是通過分片的方式來實現了拜占庭容錯的安全問題。2017年ByzCoinX則是利用了上述兩種容錯方式將比特幣在擴容的同時還不比犧牲長期的安全性和去中心性的分布式賬本架構。為了降低PoW算法的能耗。研究者提出了消逝時間證明PoET和運氣證明PoL。這兩種證明方式都是以特定的可信執行環境為基礎的隨機共識算法。PoET算法的意義在于能夠有效地降低能耗，讓挖礦的消耗大幅降低，并且實現了"ICPUl票”的公平性。同樣的，PoL算法是通過降低交易的驗證時間來降低能源消耗的。

2.3原生PoS算法的改進

原生PoS算法的改進主要是針對解決PoS算法中固有的“無利害關系”問題，由此產生了很多種新的共識算法。2014年提出的Tendermint實現了第一個基于PBFT的PoS共識算法。這種方法是一收取保證金的方式，來實現問題的解決，假如礦工作惡，那么保證金就會被沒收。2015年提出的Casper尚在完善階段，其分為兩類。一類是有明確PoS共識的CTFG，另一類是將PoW和PoS有機結合的CFFG。2016年提出的HoneyBad-ger共識是第一個可以實用的異步拜占庭容錯共識協議，這種共識可以實現在沒有任何網絡的情況下，依舊保證區塊鏈系統的活性。

2.4傳統分布式一致性算法的改進

傳統的分布式一致性算法一直都是非拜占庭容錯的。研究者為了突破這一桎梏在2014年提出了拜占庭容錯的Tanga-roa算法。2016年提出了拜占庭容錯的Raft算法，后來逐漸發展成為ScalableBFT的專用拜占庭容錯協議。2015年提出了恒星共識協議SCP，這是第一個具有明確安全機制的，具有漸進安全、靈活信任、低延遲和分散控制四個關鍵屬性的共識機制。同年，將Ripple和SCP共識相結合提出了法定人數投票共識算法，以應隨需要即時交易的場景。2016年NEO提出了一種名為dBFT的算法，這種算法改進了PoW和PoS最終一致性的問題，讓區塊鏈進軍到金融領域內。2016年，提出了MgoRand的快速拜占庭容錯共識算法，這是被認為真正的民主和高效的分布式賬本共識技術。

3結束語

近年來隨著區塊鏈技術的廣泛發展，共識算法技術也越來越多地為人們所學習。未來該技術將會朝著證明方式多樣化、證明方式混合化、中心化共識需求增多以及研究合理的激勵措施等方向努力發展。相信未來區塊鏈技術將會得到更加長足的進步。