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1、,区块链知识 - 共识与分叉,付少庆 2018-04,目录CONTENTS,1,共识机制的相关知识,2,常见的共识算法,3,是否有完美的共识机制？,4,5,6,软分叉与硬分叉,Q&A,PPT内容提示,本PPT讲解区块链领域的共识机制。 主要面向所有区块链领域的技术人员。特别是期望在应用中需要了解共识机制的人员。区块链中的比喻：共识机制是区块链的灵魂核心、密码算法是区块链的骨骼。相关的区块链知识请参考我们的一系列培训PPT,共识机制的相关知识,1,共识机制的相关知识,共识（Consensus）,共识机制,区块链的骨骼,区块链的灵魂核心,共识机制的相关知识,CAP定律,CAP原则又称CAP定理，指
2、的是在一个分布式系统中三者不可兼得。,Consistency（一致性）,Availability（可用性）,Partition tolerance（分区容错性）,分布式系统的CAP理论：理论首先把分布式系统中的三个特性进行了如下归纳：一致性（C）：在分布式系统中的所有数据备份，在同一时刻是否同样的值。（等同于所有节点访问同一份最新的数据副本）可用性（A）：在集群中一部分节点故障后，集群整体是否还能响应客户端的读写请求。（对数据更新具备高可用性）分区容错性（P）：以实际效果而言，分区相当于对通信的时限要求。系统如果不能在时限内达成数据一致性，就意味着发生了分区的情况，必须就当前操作在C和A之间做
3、出选择。,共识机制的相关知识,几种生活中的共识机制,顾名思义，“共识”的核心是共同认可，它的反面就是有分歧。,核心,共同认可,共识机制的相关知识,从以下4个维度评价各共识机制的技术水平：1）安全性。即是否可以防止二次支付、自私挖矿等攻击，是否有良好的容错能力。2）扩展性。即是否支持网络节点扩展。扩展性是区块链设计要考虑的关键因素之一。3）性能效率。目队交易达成共识被记录在区块链中至被最终确认的时间延迟，也可以理解为系统每秒可处理确认的交易数量。4）资源消耗。即在达成共识的过程中，系统所要耗费的计算资源大小，包括CPU、内存等。区块链上的共识机制借助计算资源或者网络通信资源达成共识。,共识机制的
4、相关知识,对共识机制的总结,常见的共识算法,2,常见的共识算法,这类算法性能较高，但容错性较差，如Paxos、Raft等。,针对非拜占庭错误的,这类算法往往容错性较高，但是性能相对较差，包括工作量证明（POW）、权益证明（POS）、股份授权证明（DPOS）、实用拜占庭容错算法（PBFT）等。,针对拜占庭错误的,处理的异常情况,不同的分布式系统，由于其故障类型不同，因此采用的共识算法也不同。根据处理的异常情况不同，同样可以分为两种类型,常见的共识算法,一种是通过提高作恶节点的成本以降低作恶节点出现的概率，如工作量证明、权益证明等，其中工作量证明是通过算力，而权益证明则是通过持有权益。,另外一种是
5、在允许一定的作恶节点出现的前提下，依然使得各节点之间达成一致性，如实用拜占庭容错算法等。,思路,处理拜占庭错误的算法有两种思路,POW 工作量证明机制,英文Proof of Work简称POW，简单的说就是可以证明你付出了多少工作量的证明。在比特币网络中，要想得到比特币就需要先利用自己服务器的算力抢夺记账权，等记账权抢到手之后，矿工还有个工作就是要把10分钟内发生的所有交易记录按照时间的顺序记录在账本上，然后同步给这个网络上的所有用户。矿工付出劳动抢记账权和记录交易，并且这个劳动也在全网得到大家的认可，达成了共识的机制。Proof of Work（PoW）的机制来实现共识，该机制于 1998
6、年在 B-money 设计中提出。,使用PoW的项目有：比特币、以太坊的前三个阶段（Frontier前沿、Homestead家园、Metropolis大都会）。以太坊的第四个阶段 Serenity宁静将采用权益证明机制（POS）。,常见的共识算法,POW 工作量证明机制,1）去中心化，将记账权公平的分派到其他节点。你能够获得的币的数量，取决于你挖矿贡献的有效工作。,2）安全性高，破坏系统需要投入极大的成本，如果想作弊，要有压倒大多数人的算力（51%攻击）。,优点,缺点,1）挖矿造成大量的资源浪费，目前bitcoin已经吸引全球大部分的算力，其它再用Pow共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来
7、保障自身的安全。2）网络性能太低，需要等待多个确认，容易产生分叉，区块的确认共识达成的周期较长（10分钟），现在每秒交易量上限是7笔。3）PoW共识算法算力集中化，慢慢的偏离了原来的去中心化轨道。从比特币扩容之争可以看到，算力高的大型矿池是主人，而持币的人没有参与决定的权利，比特币分叉出很多儿子，即将失去“去中心化”的标签。,常见的共识算法,POS 权益证明机制,英文Proof of Stake简称POS权益证明与要求证明人执行一定量的计算工作不同，权益证明要求证明人提供一定数量加密货币的所有权即可。它将PoW中的算力改为系统权益，拥有权益越大则成为下一个记账人的概率越大。这种机制的优点是不像
8、Pow那么费电。一句话介绍：持有越多，获得越多。权益证明（Proof of Stake，简称PoS）由Quantum Mechanic 2011年在比特币论坛讲座上首先提出，后经Peercoin（点点币）和NXT（未来币）以不同思路实现。,常见的共识算法,POS 权益证明机制,1）在一定程度上缩短了共识达成的时间。2）不再需要大量消耗能源挖矿。,优点,缺点,1）还是需要挖矿，本质上没有解决商业应用的痛点；2）所有的确认都只是一个概率上的表达，而不是一个确定性的事情，理论上有可能存在其他攻击影响。例如，以太坊的DAO攻击事件造成以太坊硬分叉，而ETC由此事件出现，事实上证明了此次硬分叉的失败。3
9、）极端的情况下会带来中心化的结果。PoS 机制由股东自己保证安全，工作原理是利益捆绑。在这个模式下，不持有 PoS 的人无法对 PoS 构成威胁。PoS 的安全取决于持有者，和其他任何因素无关。,常见的共识算法,DPOS 股份授权证明机制,Delegated Proof of StakeDPoS在PoS的基础上，将记账人的角色专业化，先通过权益来选出记账人，然后记账人之间再轮流记账。这种方式依然没有解决最终性问题。类似于董事会投票，持币者投出一定数量的节点，代理他们进行验证和记账。BitShares（比特股）社区首先提出了股份授权证明（简称DPoS）机制，它与PoS的主要区别在于节点选举若干代
10、理人，由代理人验证和记账，但其合规监管、性能、资源消耗和容错性与PoS相似。类似于董事会投票，持币者投出一定数量的节点，进行代理验证和记账。https:/bitshares.org/technology/delegating-proof-of-stake-consensus/,例子：BitShares，Steem，EOS,常见的共识算法,DPOS 股份授权证明机制,大幅缩小参与验证和记账节点的数量，可以达到秒级的共识验证。,优点,缺点,整个共识机制还是依赖于代币，而很多商业应用是不需要代币的。,常见的共识算法,PBFT拜占庭容错共识机制,PBFT是英文Practical Byzantine F
11、ault Tolerance的缩写，意为实用拜占庭容错共识机制。PBFT是一种状态机副本复制算法，即服务作为状态机进行建模，状态机在分布式系统的不同节点进行副本复制。每个状态机的副本都保存了服务的状态，同时也实现了服务的操作。同所有的状态机副本复制技术一样，PBFT对每个副本节点提出了两个限定条件：（1）所有节点必须是确定性的。也就是说，在给定状态和参数相同的情况下，操作执行的结果必须相同；（2）所有节点必须从相同的状态开始执行。在这两个限定条件下，即使失效的副本节点存在，PBFT算法对所有非失效副本节点的请求执行总顺序达成一致，从而保证安全性。例子：布萌区块链,常见的共识算法,PBFT拜占庭
12、容错共识机制,1）系统运转可以脱离币的存在，pbft算法共识各节点由业务的参与方或者监管方组成，安全性与稳定性由业务相关方保证。2）共识的时延大约在25秒钟，基本达到商用实时处理的要求。3）共识效率高，可满足高频交易量的需求。,优点,缺点,1)当有1/3或以上记账人停止工作后，系统将无法提供服务；2)当有1/3或以上记账人联合作恶，且其它所有的记账人被恰好分割为两个网络孤岛时，恶意记账人可以使系统出现分叉，但是会留下密码学证据,常见的共识算法,DBFT授权拜占庭容错,delegated BFT 由权益来选出记账人，然后记账人之间通过拜占庭容错算法来达成共识。DBFT机制最核心的一点，就是最大限
13、度地确保系统的最终性，使区块链能够适用于真正的金融应用场景。2016年4月，小蚁公司发布共识算法白皮书，描述了一种通用共识机制授权拜占庭容错，提出了一种改进的拜占庭容错算法，使其能够适用于区块链系统。,授权拜占庭容错算法在使用拜占庭容错算法的基础上，进行了以下改进：将C/S架构的请求响应模式改进为适合P2P网络的对等节点模式；将静态的共识参与节点改进为可动态进入、退出的共识参与节点；为共识参与节点的产生设计了一套基于持有权益比例的投票机制，通过投票决定共识参与节点（记账节点）；在区块链中引入数字证书，解决了投票中对记账节点真实身份的认证问题。,常见的共识算法,DBFT授权拜占庭容错,专业化的记
14、账人；可以容忍任何类型的错误；记账由多人协同完成；每一个区块都有最终性，不会分叉；算法的可靠性有严格的数字证明。,优点,缺点,当1/3及以上的记账人停止工作后，系统将无法提供服务；当1/3及以上的记账人联合作恶，且其他所有的记账人被恰好分割为两个网络孤岛时，恶意记账人可以使系统出现分叉，但是会留下密码学证据。,例子：NEO,常见的共识算法,PoI重要度证明共识算法,PoI(Proof of Importance)重要度证明共识算法引了账户重要程度的概念，使用账户重要性评分来分配记账权的概率。,优点,缺点,低能耗，速度快，公平,缺少社区共识，账户重要性设备贡献度,常见的共识算法,POP算法,PO
15、P(ProofofParticipation)算法，POP 将 POI和DPOS 的思想结合基本原理这是标准链（CZR）的创新，基于账户参与度的 PoP(ProofofParticipation)算法，POP 将 POI 和DPOS 的思想结合，既能确保对设备的公平性，又拥有社区的共识。,优点,低功耗、速度更快，更加安全，既能确保公平性，又拥有社区的共识。,常见的共识算法,PAXOS共识机制,PAXOS是个分布式一致性协议，它的事件需要多个节点共同参与，一个事件完成是指多个节点上均完成了自身负责的单机子事件(把这样的事件称为分布式事件)，这样的分布式事件可以看作是多个单机子事件的复合，但是即不
16、能从两个分布式事件的先后推导出某个节点上它们的单机子事件的先后，也不能根据某个节点上两个单机子事件的先后断言它们对应的分布式事件的先后。PAXOS算法是分布式技术大师Lamport提出的，主要目的是通过这个共识机制让参与分布式处理的每个参与者逐步达成一致意见，简单的说就是在一个选举过程中，让不同的选民最终做出一致性的决定。这个应用应该很受参与美国总统大选人选的欢迎吧。,常见的共识算法,PAXOS共识机制,1998年Lamport提出Paxos算法，后续又增添多个改进版本的Paxos形成Paxos协议家族，且Paxos都有共同点是不容易工程实现。Classic Paxos ：LeaderLess
17、，又名Basic Paxos，以下均为Paxos的变种，基于CAP定律，侧重了不同方向。Cheap PaxosEgalitarian Paxos ： conflicts rareFast Paxos ： Leader only when needed ，conflicts commonMulti-Paxos ：Leader drivenByzanetine Paxos,常见的共识算法,RAFT共识机制,Raft算法是对Paxos算法的一种简单实现，包括三个角色：leader，candiate，follower。Raft机制可以理解成全网选出一个记账者，如果它稳定运行没有挂掉，就由这个节点记账，
18、全网无条件接受他的记账结果，相信他是诚实的，假如这个节点挂掉了，那么大家是可以通过超时或网络探测感知，然后快速启动一轮投票，来选出一个新的记账节点，然后继续无条件的等它记账，这样就达成了容错性。这在信任度较高，机构组成简单的的联盟链或者一个机构内的私有链里，是比PBFT更加高效的一种做法，因为不需要多步的反复确认，受网络影响的可能性也小很多。总的来说，Raft算法强调可用性和最终一致性，效率非常高，但是防欺诈性一般只能事后检查。,常见的共识算法,POA共识机制,权威证明，使用一组所谓的“权限”允许人们在区块链上创建新的节点并确保全网安全。在POA机制中，验证者是整个共识机制的关键，验证者必须具
19、有已知且获得验证的身份。验证者通过放置这个身份来获得担保网络的权利，从而换取区块奖励。若是验证者在整个过程中有恶意行为，或与其他验证者勾结。那通过链上管理可以移除和替换恶意行为者。现有的法律反欺诈保障会被用于整个网络的参与者免受验证者的恶意行为。POA算法出块效率高，不需要挖矿消耗大量资源，整个网络验证者互相监督，随时可以投票加入新的验证者或者剔出不合格验证者。例子：唯链，TomoChain,常见的共识算法,DAG（Directed Acycli Graph）,DAG（Directed Acycli Graph）有向无环图，DAG共识算法的诞生是为了解决区块链的效率问题，通过DAG拓扑结构存储
20、交易区块，支持网络中并行打包出块，提高交易容纳量。之后DAG不断演化逐渐形成了 blockless 的发展方向。从数据结构来看，DAG模式是一种典型的Gossip算法，即本质上为异步通讯，带来的最大的问题是一致性不可控，并且网络传输数据量会随着节点的增加而大幅增加。DAG算法支持交易快速确认，低廉交易手续费，同时也剔除了矿工角色。但是目前来看安全性低于POW等机制，容易形成中心化，例如IOTA依赖validator，字节雪球则需要见证人节点。例子：IOTA，Byteball（字节雪球）,常见的共识算法,RPCA,RPCA（Ripple Protocol consensus algorithm）
21、瑞波共识机制RPCA是一个类似PBFT的共识机制，属于节点投票的共识机制。初始特殊节点形成后，后续接入新节点需要51%原特殊节点同意，因此该机制从一开始就是中心化的。例子：Ripple,常见的共识算法,其他共识算法,随机工作量证明（Randomized Proof of Work, RPOW）POV (Proof of Value)基于价值的共识机制,常见的共识算法,是否有完美的共识机制？,3,是否有完美的共识机制？,1.谁是区块链的实际拥有者？节点还是地址持有人，谁享有权益、担当风险、並应负责？2.从技术层面考察共识机制是否具有足够的稳定性、一致性来对抗网络同步问题和恶意节点。(5个子问题)
22、3.是否需要耗费资源维护共识机制？如需要，应以何种方式补偿资源消耗者的付出？4.共识机制与治理机制。当实际拥有者让度部分权力的时候，例如记账权利，除补偿执行人的资源消耗外，是否还应同时让度其他权利，例如投票权？如何保证实际拥有者始终能保持对区块链的控制权？,一个好的共识机制必然需要考虑以下几个问题,是否有完美的共识机制？,封闭生态的存储网络，所有节点都是可信任的。由于私有链是封闭生态的存储网络，也就是说内部节点都是封闭系统自行创建的，并不存在内部节点的信任问题，所以根本不存在所谓拜占庭将军问题。针对私有链，只需要做到少数服从多数原则即可并不需要使用任何共识机制来达成一致。,私有链,半封闭生态的
23、交易网络，存在对等的不信任节点。,联盟链,开放生态的交易网络，这层主要是为行业链和私有链提供全球交易网络。公有链而言，由于所有节点都是平等的，也就是完全去中心化的组织，笔者认为使用工作量证明机制至少目前来讲是最公平也最客观的，因为它完全依赖于随机计算结果与其他任何主观因素都没有联系。,公有链,不同类型的区块链的共识机制,软分叉与硬分叉,4,软分叉与硬分叉,由于每个矿工的区块数据都不一样，所以他们解题得出的结果也是不一样的，都是正确答案，只是区块不同。于是，区块链在这个时刻，出现了两个都满足要求的不同区块。那么，全体矿工这时该怎么办呢？ 由于距离远近，不同的矿工看到这两个区块是有先后顺序的。通常
24、情况下，矿工们会把自己先看到的区块复制过来，然后接着在这个区块开始新的挖矿工作。于是，出现了这样的情景：,软分叉与硬分叉,分叉的解决办法,当矿工发现全网有一条更长的链时，他就会抛弃他当前的链，把新的更长的链全部复制回来，在这条链的基础上继续挖矿。所有矿工都这样操作，这条链就成为了主链，分叉出来被抛弃掉的链就消失了。,软分叉与硬分叉,比特币的六次确认,承载比特币应用的区块链，一般认为一个区块后面再链了6个区块后，就不可能被“颠覆”了，故称为“六次确认”。挖到一个新区块别高兴太早，等后面链了6个其他区块的时候，再庆祝吧。承载比特币应用的区块链，平均10分钟生成一个区块，“六次确认”大概需要经历1个
25、小时。,软分叉与硬分叉,硬分叉是指：当系统中出现了新版本的软件（或称协议），并且和前版本软件不能兼容，老节点无法接受新节点挖出的全部或部分区块（认为不合法），导致同时出现两条链。尽管新节点算力较大，比如99%的算力为新节点，1%的老节点依然会维护着不同的一条链，因为新节点产生的区块老节点实在是无法接受（尽管它知道网络上99%的节点都接受了），这称为硬分叉。硬分叉产生的原因：新的节点要求比老的节点要宽松很多。,软分叉与硬分叉,著名的硬分叉事件,区块链领域最有名的硬分叉，是“以太坊”分叉，事情大概是这样的：黑客盗取了大概6kw美元的合约币以太坊开发团队修改源码，强行把第1920000个区块的资金转
26、移到另一个地址，“夺回”黑客控制的合约币大部分矿工认同这个修改，一部分矿工不认同这个修改，于是形成了两条链，新链是以太坊(ETH)，原链是以太经典(ETC)大家继续在自己认可的链路上继续挖矿,软分叉与硬分叉,著名的硬分叉事件,对于一些刻意的硬分叉，凭空的多出了一些资产。这些资产的价值具体怎样，还要看市场交易情况。但总的来说，区块链的硬分叉，没有减少资产，反而让人手里多了一种资产，看上去总归是一件不亏的事情，于是区块链分叉就成了一种资产凭空增加的方式。在2017年8月1日，由ViaBTC领导的矿工团体创建一个比特币分叉Bitcoin Cash(简称BCC或BCH)。这次分叉，让大量的比特币持有者
27、凭空的增加了一种新的数字货币(BCH)。,软分叉与硬分叉,硬分叉这种创造货币的方式和ICO非常类似，于是一个新的名词诞生了IFO（Initial Fork Offerings）。矿工团队在创造分叉的同时，可以在分叉发生的区块中，利用自己的特权，分配一些货币给自己或其他人（直接写成CoinBase交易即可），然后再开放让所有人都可以参与挖矿。 随着越来越多的硬分叉发生，比特币的公信力是否还能像以前一样？IFO会不会成为比特币的杀手？还需要时间的考验。（对其他币也面临同样的问题）,软分叉与硬分叉,硬分叉解读,（1）区块头里能记录版本信息，所以理论上任何人都可以改程序，升级版本自己玩，只是没有人陪你
28、玩罢了，没人陪你玩，你挖到的矿大家不认可，就只是浪费电。还是那句话，区块链的世界里，遵守规则才能让矿工的利益最大化。（2）硬分叉，其实违背了区块链“不能修改”的技术本质，采用了人为手段“强制回滚”，楼主认为，这违背了区块链去中心化的技术本质。,软分叉与硬分叉,软分叉是指：当系统中出现了新版本的软件（或称协议），并且和前版本软件不能兼容，新节点无法接受老节点挖出的全部或部分区块（认为不合法）。因为新节点算力较大，老节点挖出的区块将没有机会得到认可，新老双方从始至终都工作在同一条链上，这称为软分叉。软分叉是临时的。软分叉产生的原因：新的节点要求比老的节点要严格很多。,软分叉与硬分叉,软分叉和硬分叉
29、相比,软分叉总是只有一条链，没有分成两条链的风险；软分叉不要求所有节点同一时间升级，允许逐步升级，且并不影响软分叉过程中的系统稳定性和有效性；,优点,缺点,软分叉的前提是老的节点总是能够接受新节点的区块，这就要求把系统设计成向前兼容（forward compatible）；软分叉总是建立在对老节点进行欺骗的基础上，它让老节点没有察觉实际上已经发生的变化，某种程度上违背了单点完整验证的原则,软分叉与硬分叉,利益的驱动和博弈,尽管区块链基于一套严格的制度和规则，更强调“去中心化”和“去信任”，无需监管，但仍然有漏洞和bug出现。究其原因，就在于利益的驱动，也就是一部分矿工为了利益势必想尽办法，不择手段。为了获得新区块以及奖励，在不满原有制度的情况下，反对者就会选择另谋出路、分道扬镳。但要开辟新的道路，矿工们先要与平台这一管理者进行博弈，胜出后才能真正走自己的路。综上所述，尽管区块链一直标榜公正、中立、自动等特点，但在私欲的驱动下，仍然围绕利益纠缠不清，犹如现实中的名利场。 如此众多的山寨币、分叉币就是最好的证明。,Q&A谢谢大家的参与！,爱网爱链订阅号,喜马拉雅听书地址,
