你学会了吗 区块链的共识算法
区块链是一种去核心化、无法窜改、可追溯的散布式数据库系统，可确保数据安保，并防止未经授权的访问。区块链技术准许用户在散布式账本中参与、检查和验证买卖，并经常使用共识机制来确保一切买卖准确无误。
在区块链中，共识机制用于保障网络上的一切节点都赞同网络的形态和买卖的实在性，这关于保养区块链的安保性和完整性至关关键，图1展现了区块链共识环节的基础模型。不同的区块链平台经常使用不同的算法，例如POW、POS或POB等，以在网络上的节点之间达成共识。一个好的共识算法可以坚持区块链网络的生动，为整个网络提供源源始终的有效算力，而设计不佳的算规律或许造成整个网络在遭到攻打时很容易瘫痪。共识算法可以分为：非拜占庭容错算法与拜占庭容错算法，基于DAG和混合算法，在本次报告中关键引见拜占庭容错算法。
图1 区块链共识环节的基础模型
拜占庭容错算法（Byzantine Fault Tolerance，BFT）是一类散布式系统中用于处置节点缺点和恶意行为的算法。该算法的指标是确保在存在节点失误或恶意行为的状况下，系统仍能够达成分歧的共识。BFT的概念来源于拜占庭将军疑问，其机制的目的是经过一种群体决策环节来防范系统缺点，该环节思考了正确节点和缺点节点的输入，旨在最小化缺点节点的影响。本报告关键引见了pBFT、POW、POS、POB、POC、POA、DPOS共识算法。
1、Practical Byzantine fault‑tolerant (pBFT)
适用拜占庭容错算法 (pBFT) 是 Barbara Liskov 和 Miguel Castro 在 1999年提出的一种共识算法[1]，处置了原始拜占庭容错算法效率不高的疑问，将算法复杂度由指数级降低到多项式级，使得拜占庭容错算法在实践系统运行中变得可行。
pBFT可以在保障活性和安保性的前提下提供（n-1)/3的容错性, 其中 n 为节点总数，即只需恶意节点的最大数量小于或等于系统中一切节点的三分之一，pBFT 系统就可以反常运转。在启用 pBFT 的系统中，节点按顺序排序，其中一个节点为主节点，其余节点为辅节点。主节点在每次视图时期都会出现更改，并且假设经过了预约义的时期而没有主节点向辅节点广播恳求，则可以经过视图更改协定交流主节点。
pBFT共识分为五个阶段，如图2所示，其中C为发送恳求端，0123为服务端，3为宕机的服务端，详细步骤如下：
恳求阶段(request): 恳求端C发送恳求到主节点，这里主节点是0；
预预备阶段(pre-prepare)：服务端0收到C的恳求后启动广播，分散至服务端123；
预备阶段(prepare): 服务端123收到后记载并再次广播，1->023，2->013，3由于宕机无法广播；
提交阶段(commit): 服务端0123节点在Prepare阶段，若收到超越必定数量的相反恳求，则进入Commit阶段，广播Commit恳求；
回复(reply): 0123节点在Commit阶段，若收到超越必定数量的相反恳求，则对C启动反应。
pBFT初次提出在异步网络环境下经常使用形态机正本复制协定，该算法可以上班在异步环境中，并且经过优化在早期算法的基础上把照应性能优化了一个数量级以上。但该算法仅仅适用于permissioned systems 且通讯复杂度使得系统性能随着网络规模的参与而降低。
2、Proof ofwork (PoW)
PoW的好处是齐全去核心化 ，节点自在进出；只需破坏者算力不超越网络总算力的50%，买卖形态就能达成分歧。PoW 的缺陷是挖矿形成少量资源糜费；矿池算力高度集中；达成共识周期较长(每秒最多7笔买卖)；还存在无私挖矿攻打的危险。
3、Proof ofstake (PoS)
PoS 共识算法因其节能特性而被以为是 PoW 有出路的代替打算。PoS 由系统中具备最高权力而非最高算力的节点取得记账权[3]。相关于PoW中 Nonce 字段的大搜查空间而言, PoS 将搜查空间限度在一个计算量可接受的范围; 除此外，PoS 中还引入了“币龄”作为权力,即：
竞争出块记账前，领有权力的节点将自己的权力放入PoS机制中，同时身份变为验证者，PoS机制依据验证者下注的多少，选出一个记账者启动出块记账。选用算法综合经常使用候选者的股权（持有的加密货币数量）和其余起因（如币龄和随机化），以确保网络上一切节点之间的偏心性。其中一个起因是币龄，它是候选节点成为验证者的时期。节点担任验证者的时期越长，被选为记账者的时机就越大。另一个起因是随机块选用，其中验证器是依据最低哈希值和最高权力的组合来选用的。具备这些起因的最佳加权组合的节点成为新的记账者。假设选出的记账者在一段时期内没有记账，PoS机制从新选用记账节点，当出块成功，开局进入下一轮的记账。
PoS缩短了共识达成的时期，降低了PoW机制的资源糜费。然而破坏者对网络攻打老本低，存在“有利弊相关“（Nothing at stake）”攻打疑问，且共识受少数富有账户摆布，不足公正性。
4、Proof ofburn (PoB)
在 "烧毁证实"（PoB）中，验证者经过 "烧毁 "货币或将其发送到一个永远无法取回的地址来示意自己情愿为了常年投资而接受短期的损失，以及取得在某个随机选用程序系统上启动挖矿的终生特权[4]。这一环节用于确定哪些验证者能够开掘系统中的下一个区块。验证者可以经常使用本地社区的货币或比特币等代替链的货币，以参与被选中启动区块开掘的时机。矿工烧掉的货币越多，被系统选中开采下一个区块的时机就越大。随着新区块的挖出，被烧毁币的能量会略有缩小，从而发生一个通缩环节，即货币的总量会随着时期的推移而缩小，从而有或许参与其价值。相比之下，数量随时期参与的加密货币往往会升值。
PoB更环保，由于它并不强分配件的功率或数量，货币销毁会终身缩小被销毁的加密货币的供应，从而造成稀缺性和资产价值参与。只管在配件方面，PoB不须要像Pow那样多的资源，但它会破坏经过计算创立的硬币，这也是一种糜费。PoB中，由于销毁是最终的结果，没有任何保障可以收回烧毁的货币的所有价值，这参与了用户的危险。
5、Proof ofcapacity (PoC)
容量证实（PoC）是一种新的挖矿方法，目前在加密货币 Burstcoin 中经常使用[5]。空间容量证实应用的是计算机的硬盘空间大小而不是电脑的计算才干。硬盘的容量越大，可以贮存在硬盘里的打算值就越多，矿工就越无时机婚配到其中所须要的哈希值，从而有更多的时机取得鼓励。
PoC 经过在计算机上提供更多处置打算或“图”来参与矿工赢得挖矿竞争的时机。PoC由两个关键局部组成：绘图和挖矿
POC挖矿缩小了少量的计算，同时防止了AISC化的矿机出现，大大降低了挖矿的门槛和矿工的老本。
6、Proof ofactivity (PoA)
优惠证实（PoA）联合了PoW上班量证实与PoS权力证实的特点并启动了相应裁减[6]，PoA共识具备更为复杂的记账节点选取，同时有更为偏心的鼓励机制。经过思考矿工的利益，网络可以优先思考那些对网络树立有久远利益的矿工，而不只仅是那些领有最弱小计算资源的矿工。其详细步骤如下：
PoA 可以有效地平衡区块链的安保性和效率，但与纯 PoW 或 PoS 系统相比，PoA 的实施或许更复杂，安保性也或许更低。PoA因局部经常使用PoW和PoS而被诟病，但也防范了51%攻打的危险。
7、Delegate proof ofstake (DPoS)
大幅缩少介入验证和记账节点的数量，能到达秒级的共识验证；另外, 区块的发生不须要消耗算力, 相关于 PoS 愈加节俭能耗。但不适宜齐全去核心化的场景。
区块链技术的出现代表了数字货币经济时代的来到。然而区块链的共识机制依然还面临一些应战，区块链的共识机制还有可提高之处。只要做到各方面的平衡，经过之后的开展以及始终的更迭，才干设计出愈加适宜实践运行场景的共识机制。
参考文献
[1] Miguel Castro, Barbara Liskov, et al. Practical byzantine fault tolerance. In OsDI, volume 99, pages 173–186, 1999.
[2] Shixiong Jin, X Zhang, J Ge, HB Shi, Y Sun, M Li, YM Lin, and ZJ Yao. Overview of blockchain consensus algorithm. Journal of Information Security, 6(2):85–100, 2021.
[3] Chaya Ganesh, Claudio Orlandi, and Daniel Tschudi. Proof-of-stake protocols for privacy-aware blockchains. In Advances in Cryptology–EUROCRYPT 2019: 38th Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques, Darmstadt, Germany, May 19–23, 2019, Proceedings, Part I 38, pages 690–719. Springer, 2019.
[4] Kostis Karantias, Aggelos Kiayias, and Dionysis Zindros. Proof-of-burn. In Financial Cryptography and> 来源： 中国隐秘协会迷信技术分会
