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混合共识机制的算法模型与经济模型的优缺点详解

作者:赌钱网站-手机赌钱平台-手机赌钱app 发布时间:2020-02-26 17:49:06

  共识机制是分布式系统为达成状态一致性所采用的协议,是所有分布式系统的基础。区块链领域,联盟链常采用 BFT(拜占庭容错),pBFT(实用拜占庭容错)等传统分布式系统中常用的共识机制;而公链项目多采用 PoW, PoS 等中本聪共识(Nakamoto Consenus)。

  BFT,pBFT 等共识机制 的共识过程快,且一旦共识达成就不可再进行更改,因此不会分叉。但这类共识节点间需要复杂的通信,适用于节点较少且组成稳定的 Permissioned 系统。

  中本聪共识是从比特币的共识机制中抽象出的一套共识体系,基本原理是节点通过提供某种证明来获取创建新区块的权利,同时任何节点都很容易对该证明的真实性进行验证,从而对新区块达成共识。这里的证明可以针对工作量、权益、服务等,对应的共识机制为 PoW(工作量证明),PoS(权益证明),PoSe(服务证明)等等。具体原理可参考文献[1]。

  中本聪共识引入了最长链法则和经济激励机制,使节点之间可以通过简单通信,达成共识[2]。中本聪共识具有较强的稳定性,不需要对加入的节点进行筛选,适用于非许可(Permissionless)分布式系统。但中本聪共识分叉的可能性较高,且共识过程相对较慢。

  为了结合上述两类共识机制的优点,一些项目提出了对两者进行结合的混合共识机制。如 Cosmos[3], Polkadot[4],Algorand[5] 等项目将 PoS(或DPoS) 与 BFT 进行结合,在尽量保持网络开放性的同时,降低分叉的可能性,提升共识效率。

  同时,不同种类的中本聪共识也存在各自的不足。如 PoW 的矿工权力过大,占有大量算力的矿工有可能发起 51% 攻击,矿工进行“硬分叉”有可能导致社区的分裂。而 PoS 共识则面临 nothing-at-stake 等问题,同时因为没有运营成本,导致大量新产生的币被长期持有,流通量不足。另外,仅采用一种共识时系统往往无法提供除转账外更加复杂的服务。因此,一些项目提出了结合不同中本聪共识的混合共识机制,旨在结合不同共识的优点。如 Decred[6] 的 PoW+PoS 共识机制,Dash[7] 的 PoW + PoSe 共识机制等。

  Decred 项目采用了 PoW + PoS 混合共识机制。系统的参与者包括:

  验证节点:即 PoS Validator,通过投票验证 PoW 矿工提交的区块,同时参与治理过程

  Decred 的 PoW 挖矿过程和比特币基本一致,仅对挖矿算法进行修改(Decred 的挖矿算法采用了和比特币不同的哈希函数 -- BLAKE-256),具体原理参考[8]。与比特币不同之处在于:

  · 即使区块确认,矿工也只获得部分奖励,其余奖励由验证节点和项目基金获得

  成为 PoS 验证节点的条件是通过质押(锁定)DCR(Decred 原生币)获取Ticket,再通过TIcket 进行投票。TIcket 的价格会动态调整,确保总的TIcket 数量大致保持恒定。节点通过质押获取TIcket 时还需要支付一定的 Ticket 手续费,作为矿工将对应的 Ticket 打包进区块的奖励,只有被打包进区块的 Ticket 才能进入 Ticket 池,之后才有可能被选为验证节点。Decred 中 Ticket 的获取和销毁的过程在[9]中有详细阐述。

  当矿工节点挖到一个符合难度要求的区块,Decred 网络会从当前 Ticket 池中随机选择 5 张 Ticket 对该区块进行投票验证,Ticket 被随机选中的概率符合泊松分布。当超过 3 张 Ticket 验证通过时,区块才会被接受。

  验证节点还可对共识升级提案进行投票,只有超过 75% 的 Ticket 投票通过时,升级才会被触发。基本过程为:

  3. 绝大部分矿工节点(95%)和验证节点(75%)需要升级到指定的软件版本,才可开始投票

  4. 经过8064个区块的投票(每个区块5票,这样理论上可以覆盖整个 Ticket 池),当获得超过 75% 的同意票时,升级才会被触发

  Decred 的区块奖励中的 10% 将作为项目预留基金。用户可以支付少量的 DCR 在 Politeia 平台上发起对应提案,将预留基金的部分用于特殊的用户,如支持生态中某个开源项目等。Ticket 的持有者(验证节点)可以对提案进行投票,决定提案是否通过。其步骤和上述提案投票过程基本相同。

  Decred 的原生代币为 DCR,所有 DCR 都通过新区块奖励产生。DCR 采用通缩模型,创世块奖励为 1,680,000 DCR(预挖),初始区块奖励为 22 DCR,且每隔 6144 个区块(区块间隔约5分钟)减少为上一区块奖励的 100/101,总量固定,约为 2100 万 DCR,预计在2120年全部挖出。

  DCR 和 BTC 类似,在 Decred 系统中可以用于发送交易和支付手续费。同时 DCR 可以在二级市场上流通。

  除 DCR 外,Decred 系统中还有一种名为 Ticket 的 Token,Ticket 仅可通过质押(锁定)DCR 来获得。质押本身没有成本,但需要支付一定买 Ticket 的手续费(用 DCR 支付,作为区块奖励)。每张 Ticket 的价格每隔 144 个区块会进行动态调整,使 Ticket 池中可用的 Ticket 数保持在 40,960 张。Ticket 在 Decred 系统中仅用于投票,且一旦投票完成、或错过投票、或者过期(如果 40,960 区块内都没被选中,则自动过期),Ticket 都将消失,被质押的 DCR 和奖励的 DCR 将返还给质押者。

  Ticket 的获取成本很低(质押,而不是购买),本身无法流通,且无法永久持有,理论上没有什么价值。但其作为参与 PoS 共识及区块治理和项目预留基金分配的凭证,有可能有一定的市场价值,不排除在系统外进行贿选、买票的可能[10]。

  · 网络中每笔交易(包括生成 Ticket 的交易)都包含手续费,矿工会打包尽量多的交易以获得更多区块奖励

  · 矿工提交的区块需要通过 PoS 验证才能被确认,因此除非 PoW 矿工同时掌握大部分的 PoS Validator,即使具有大量算力的矿工也很难发动 51% 攻击,攻击动机较一般 PoW 网络更弱

  · 通过质押 DCR 获得 Ticket 进行投票,成功投票可获得 30% 的区块奖励

  · 为获得更多投票机会,验证节点倾向于锁定更多 DCR 换取 Ticket

  挖矿为整个系统提供了经济基础,保证网络安全性,保证了 DCR 的流通性。质押 DCR 实现了锁仓,有助于二级市场价格的稳定。投票和预留基金使项目更接近于 DAO(分布式匿名组织)的形式运营,开发者通过激励参与到项目维护之中。

  Decred 采用了 PoW+PoS 混合共识机制,类似机制在 Sero,HyperPay 等项目中也被使用。与普通 PoW 共识相比,PoS 验证节点制约了 PoW 矿工的权利,使其无法发起“双花”攻击。同时,和纯粹的 PoS 共识相比,由于大部分区块奖励仍由矿工获得,处于现金流考虑,矿工倾向于卖出挖矿收益,因此保证了系统中币的流通性。纯 PoS 共识的另一个问题是 noting-at-stake[15],很大原因在于 Staker 获得所有奖励,且成本太低。而在这个混合共识中,PoS 验证者获得的收益变少,在一定程度上缓解了 nothing-at-stake 问题。

  然而,该共识也存在一定弊端,实际上 PoS 验证节点控制了整个网络,他们可以拒绝正常的区块,且不需要太高的成本。虽然 Ticket 数量很多,但实际上极有可能被少数大户持有,使网络实际被大户所控制。另外,受限于 PoW,其 TPS 往往不高,因此不适用于需要高性能的系统。

  Dash 采用了 PoW + PoSe 混合共识机制。系统的参与者包括:

  Dash 的 PoW 挖矿过程和比特币基本一致,仅对挖矿算法进行修改(Dash采用了名为 x11 的挖矿算法,实际是 11 种哈希函数的组合),具体可以参考[7]。与比特币不同之处在于:

  · 矿工只能获得部分区块奖励,其余将作为 Masternode 奖励和项目预留

  · 证明 1000 DASH 币的所有权(相当于锁定,但币仍可以使用,一旦币被使用,将从 Masternode 列表中移除)

  · 一台运行Linux的服务器,上面运行 Masternode 相关的软件:

  (1)服务器要求有较高的硬件配置:推荐 1核2GHz,4GRAM,60G 硬盘

  只要满足上述条件,节点即可发送一笔特殊的交易 ProRegTx,在链上注册成为 Masternode。所有 Masternodes 都被添加到 Masternode list 中,列表顺序由链上注册顺序(区块高度)以及 ProRegTx 交易的哈希唯一确定,在所有 Masternode 中达成共识。

  · 对于符合特定要求的交易可以立刻确认,不需要等待多个确认,即时交易不能被双花

  · 区块被锁定后,在同一高度不允许再被分叉,即不可能再进行 51% 攻击

  · 如果开启了 InstantSend 功能,则区块中所有交易都必须被 InstantSend 锁定后,才能进行区块锁定

  · PrivateSend 本身不收费,但每一笔交易都要支付一定的抵押款(Collateral,以 DASH 计),抵押款有十分之一的几率被收做手续费

  · 在混币过程中若发起方没有及时响应混币相关的信息交互,也有 ⅔ 的可能被没收抵押款(作为手续费)

  (1)在 LLMQ DKG 过程中如果没有参与,将增加 66% 的分数(说明在短时间内连续两次不参加 DKG 则会被视为无法提供服务)

  (2)Dash 主链每增加一个区块,每个 Masternode 的分数都会减少 1

  通过 PoSe 证明提供了相应服务的 Masternode 将得到奖励,而无法提供服务的 Masternode 将会被移除。

  · 全部通过挖矿产生(团队有预挖,主网上线 万 DASH 被挖出,约占总供应量的 10% 以上,备受争议[17])

  · Dash 的区块奖励算法经几次更改,截止到 2019 年 6 月,区块奖励为 3.11 DASH(另有 10% 作为团队预留),奖励每隔 210240 个区块(约382天)减少 7.14%

  · Masternode 可以锁定区块,无法分叉,故矿工一般无法发动 51% 攻击

  · 有一定运营服务费的成本,有可能卖出奖励,但质押的 1000 DASH 一般不会轻易使用,相当于锁仓

  · 参与治理,本身没有奖励,但不参与会被惩罚(从 Masternode 列表中移除)

  PoW 矿工和 Masternode 共同保证了网络的安全性。同时,由于 Masternode 有较强的激励,可以促使更多的节点提供 Masernode 的服务。通过进一步优化激励模型,未来 Dash 的 Masternode 可能支持更多更复杂的服务。团队预留的 DASH 也为未来项目的长期发展提供了保障。

  Dash 是最早引入 Masternode 概念的项目之一。时至今日类似的含 Masternode 项目已经越来越多,详见[11]。与纯粹的 PoW 共识机制相比,Masternode 的引入在一定程度上制约了矿工滥用权力,提高了区块链的最终确定性,降低了分叉和 51%攻击 的可能性。另一方面,通过引入 PoSe, 可以激励 Masternode 提供除常规交易之外的服务,增加系统的多样性。

  这类混合共识的最大问题在于 Masternode 的权利往往过大,比如 DASH 大户可以同时拥有多个 Masternode。当大部分 Masternode 被小部分人掌握,网络会趋向中心化。另外,受制于 PoW,其 TPS 仍然是较大瓶颈。

  Komodo 在普通 PoW 的基础上,增加了一种名为延迟 PoW (delayed Proof of Work,dPoW) 的安全机制,试图利用比特币等较安全的 PoW 项目的算力来保证 Komodo 以及相关资产的安全性。dPoW 可以作为任何基于 UTXO 的链的二层共识。

  · 公证人(Notary)节点:运行多个链的全节点(包括比特币全节点,Komodo全节点等),在比特币网络上对区块进行公证,同时也参与 Komodo 挖矿

  · 普通用户:KMD 币的持有者,可参与 Staking(注意,这里并不是 PoS,而是类似锁仓激励)

  Komodo 中的矿工和普通 PoW 项目中矿工行为基本一致(挖矿算法为 EquiHash),不同之处在于 Komodo 的普通矿工仅有 25% 的几率挖到区块,其他区块大部分由公证人节点创建。

  Komodo 系统中存在 64 个公证人节点,他们是 dPoW 安全机制的实际运行者。其中:

  (1)在每年提供公证服务排名前 30 的节点将自动当选为下一期公证人节点(即完成最多 Komodo 到 Bitcoin 映射的

  · 所有公证人节点需要同时运行比特币全节点、Komodo 全节点,以及所有要保护的链的全节点(目前有40多个),因此对硬件配置要求较高

  公证人节点的主要工作是完成 Komodo 链到 Bitcoin 链的公证(相当于在 Bitcoin 上写入 Komodo 的检查点),确保 Komomo 主链的安全性。也可以将其他资产的检查点写到 Komodo 链上,过程和 Komodo 到 Bitcoin 的公证一致。

  · 首先运行所有全节点(包括比特币,Komodo 等),并同步到最新区块

  (1)根据预先设定的规则,所有公证人节点可以提议需要公证的 Komodo 链上的某个区块

  (2)从 64 个公证人节点中选择 13 个,所有公证人的地址将会按顺序存在一个列表中,公证人程序按顺序选取前 13 个可连接的公证人节点,若不可连接将被跳过,被选中后节点地址将会被移到列表末尾

  (3)被选出的 13 个公证人各自签名一笔有 13 个输入的比特币交易(如[13]),该交易的其中一个输出为上述要公证的区块的哈希值(通过 OP_RETURN 实现)

  (4)待比特币网络上交易确认后,公证人节点会构造一笔类似的 Komodo 交易,其中一个输出为上述包含了公证区块哈希的比特币交易哈希(也通过 OP_RETURN 实现)

  (5)该交易被确认后,Komodo 网络上所有节点都可以确定比特币网络上 Komodo 链的检查点

  (6)上述过程不断重复(每10分钟一次),同时也可以适用于其他用 dPoW 确保安全的链

  通过上述 dPoW 和公证人节点机制,相当于 Komodo 网络在比特币网络上设置了多个检查点,在比特币网络上被公证的区块将不可撤销,因此几乎不存在 51% 攻击的可能。

  Komodo 网络中的 Staking 和共识无关,其更类似于锁仓激励。KMD 的持有者通过锁定代币,将获得一定的 KMD 奖励[14]。

  (1)22% 左右用于奖励矿工,作为挖矿奖励,区块间隔为 1 分钟,每个区块奖励为 3 KMD

  · 挖矿和 Staking 的奖励都是线 年左右达到总供应量上限,之后不再有奖励。

  特别地,对于 KMD PoW 挖矿,普通矿工只有 25% 的概率挖到区块。而公证人节点由于提供了 dPoW 安全服务,将会以更低的难度挖到区块。据统计,大约 75% 的区块被公证人节点挖到。挖矿奖励完全由挖到区块的矿工或公正人节点获得。

  · 和普通 PoW 项目矿工一致,购买矿机、算力,打包区块,获取区块奖励

  · 为 Komodo 链提供区块公证服务,从而可以以较低的难度挖到区块,获得区块奖励

  · 公证人本身不需要质押任何 KMD,且服务器配置要求高,为支付运营成本,公证人节点也倾向于卖出挖矿所得

  Komodo 利用 dPoW 安全机制在比特币区块链上设置多个 Komodo 的检查点,从而提高了 Komodo 网络的安全性。该机制也可以应用到其他链上。Komodo 本质上还是 PoW + Masternode(PoSe) 的模式,虽然团队否认公证人节点是 Masternode,但实际上公证人节点确实通过提供额外的服务获得收益,且具有较大概率成为区块的创建者,在一定程度上控制了整个网络。Komodo 的 Staking 机制实际上是一种锁仓奖励机制,和共识无关。

  Algorand 的共识算法通过 PoS 和 可验证随机函数(VRF)选择区块的生产者和验证者,再通过一种改进的拜占庭协议 BA* 对区块达成共识。

  Algorand 中实际只有一种参与者,即 ALGO (ALgorand 原生代币)的持有者,但在不同阶段,持有者会扮演不同的角色:

  · 每一轮共识开始时,所有用户可以通过VRF 确定自己是否是潜在的区块生产者(leaders),具体方法是检查本轮自己某种签名的哈希值是否小于某个阈值。持币较多的节点被选中的概率较高(PoS)

  · 潜在的生产者(可能有多个)各自创建新区块,并进行广播,同时公布签名,任何节点都可以验证其合法性(这是 VRF 的特性)

  · 用同样的方式从系统中随机选取验证组,对新产生的区块达成共识,每一轮共识分为两个阶段:

  (1)验证组通过分级共识协议(GC),每个验证节点从多个候选区块中选择一个被大多数节点认可的区块(若不存在,验证节点会提议生成空区块)

  (2)验证节点根据自己选择的区块和 GC 共识的结果设定自己的初始状态,继续进行改进的二元拜占庭共识(BBA*),直到达成共识(有可能需要多次循环才能达成共识),共识结果有两种:

  b.不接受 leader 创建的新区块,将新区块设置为空区块,进入下一轮

  最终,每一轮都将通过共识产生一个新区块。关于协议的更多细节可以参考[5][16],以及《Qtum研究院:深度解析Algorand共识协议》。

  Algorand 的原生代币为 ALGO,总量为 100 亿。所有 ALGO 在创始块中直接生成,由 Algorand 基金会负责后续的分配。和大多数其他公链项目不同的是,在 Algorand 中,创建区块或验证区块都不会获得任何奖励。

  · Algorand 基金会预留 25 亿 ALGO,用作支持项目长期运作(这一部分由基金会在创始块直接获得,而且没有锁定。Algorand 基金会承诺不随意动用这笔资金[19])

  Algorand 基金会通过分配 ALGO 对系统中各参与者进行激励,其中:

  · 用于拍卖的 ALGO 相当于 ICO,对 ALGO 进行公开售卖。拍卖采用较为新颖的”荷兰式拍卖“[20],在业内引起了极大的关注。并且基金会承诺在 1 年后可以以成交价的 90% 对 ALGO 进行回购,在一定程度上保障了投资者的权益

  · 任何持有超过 1 ALGO 的账户都将获得 Staking 奖励,奖励会在每个区块进行发放,目前的年化收益约为 10%。Algorand 每笔交易都会有少量手续费,这些手续费不会直接发放给用户,而是被 Algorand 基金会回收,当所有 Staking 奖励发完时,这些手续费也将被统一作为 Staking 奖励

  · 在 Algorand 系统中,能够为其他节点提供链接服务的节点被称为中继节点[21],中继节点将在提供服务期间获得奖励,5 年累计奖励总计 25 亿 ALGO。这一激励将促使更多稳定的中继节点为 Algorand 网络提供连接、转发交易等服务

  从上述经济模型可以看出,Algorand 基金会在整个经济模型中占据绝对的主导地位,所有 ALGO 都由基金会进行分配,从经济模型的角度看非常中心化。无论是回购、Staking 奖励的总额、中继节点奖励,还是社区奖励,都由 Algorand 基金会决定,存在一定的风险。

  Algorand 采用了共识和激励分离的系统设计。共识方面,Algorand 提出了一种新颖的 PoS + BA* 共识机制,在可扩展性、安全性和去中心化这三个方面取得了较好的均衡。但经济模型设计偏中心化,Algorand 基金会权利过大,整个经济模型能否长期正常运行还有待验证。

  混合共识机制的主要目的是通过融合其他共识机制,克服已有共识的某些缺点。BFT,pBFT 等经典的共识机制速度快,且几乎不会分叉,Algorand等项目将其与 PoS结合,通过一定的设计使其在 Permissionless 环境下部署,实现了两者的结合。另一方面,PoW,PoS 等中本聪共识机制的融合,使更多参与者加入博弈,进一步提升共识的安全性,同时可以提供更多多元化的服务(Masternode),在设计业务复杂的系统时可以考虑采用。本文仅对一些代表性项目进行简要分析,更多混合共识算法及其实现细节可以查阅相关文献。

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