Difinity调研——共识

Difinity共识概览

Difinity 共识是一个四层的共识模型，如下图所示：

自底向上分别为Identify层，Random Beacon 层，BlockChain 层和Notary 层:

• Identify 层：最底层是一个可以提供注册和女巫攻击的客户端注册中心，所有的节点都需要注册加进网络，并且有永久的唯一的匿名的；
• Random Beacon 层： 是一个去中心化的随机数灯塔层，可验证的随机数函数（VRF: verified random function）；
• BlockChain 层：该层基于随机数灯塔的驱动，通过概率函数的排名进行有效区块的生产。这一层通过概率时隙协议（PSP：probabilistic slot protocol ），这个协议每一个高度都会为客户端排序，并根据排名为每个区块生产着分配一个weight，生产着会将该weight打入区块，Difinity 采用最重链原则，当节点收到其他节点的senblock请求后会将自己打的块放在一起比较，然后选择最重的链为主链，其他的链都丢弃；
• Notary 层：该层是一个去中心化的公正组，提供时间戳和发布担保，并且加快交易的速度。Difinity使用该层进行区块的最终确认，只有经过确认的块才能最终上链。公正层之所以能够提高确认速度是因为Difinity不是一个完全共识，是一个乐观共识，因为他认为在通常只会有一个块同时被公正。公正层在Difinity中并不仅仅起到公正的作用，还会提供时间戳和发布担保（proof of publication）。公正产生的公正块，这样其他节点无法发起自私挖矿和无利害关系问题

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Difinity 基本概念

Difinity 网络定义了很多概念，主要有系统模型、威胁模型、区块链要素定义等；

系统模型

• Replicas：接入网络的Difinity 节点，所有的节点在一起称为宇宙(universe U)，每个节点有一个公私钥；
• Authentication：节点发布协议消息都需要经过签名，节点只会接受和处理经过节点签名的消息；
• Groups：在特定的时间里，一些副本的集合G， G 包含于U，我们称为这个子集叫做组；有一个特殊的组叫做committee，这个委员会负责进行块的验证工作，执行上面所说的四层描述中最上面一层的公正块功能；假设所有的组的大小一样大，为n，那么n就叫做group size；
• Synchrony： 实际使用中，我们假设Difinity是一个半同步的网络，网络的传播时间可以通过随机数Y进行建模，他的随机分布是已知的；基于此，系统提出了两个系统层面的常量，BlockTime和T，Difinity有一个时间偏移假设和证明，会用到这两个参数。

威胁模型

• Byzantine replicas 拜占庭副本： 网络中的作恶节点，区块链网络中，将遵循协议的节点称为诚实节点，不遵循协议的节点成为拜占庭节点;
• Adversarial strength 敌对强度：网络中一个组G中，定义f(G)为拜占庭节点个数，我们假设β>2 ，且 |U| > β*f(G)，β 就称为敌对强度；
• Honest groups 诚实组：假设Difinity中组的大小为n，那么我们当某个n>2f(G)，为们称为该组是一个诚实的组，其实就是组里拜占庭节点数要小于组里总节点的1/3;
• Random samples 随机抽样

区块链要素定义

• Blocks: Block包括一个特殊的创世块和用一个元组表示的普通块，B = (p,r,z,d,o)，其中p 是prehash指向前一个block，r 是第几周即round，z是前一个块的公正，d 交易的承载量，o是矿工;
• Chains: C是区块的有限集合（B0,B1,…,Br），lenC := r +1， 创世块genC := B0，头区块 headC := Br;

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Difinity共识算法

Difinity 共识的主要包括以下内容:

• Roles: Difinity 点对点网络是由一些可以广播消息的众多网络节点clients组成，client主要有三个功能，如上图三个圆圈所;
  
  • 参与分布式随机信号生产Random Beacon;
  • 生产区块 Block Maker；
  • 参与分布式公正 Notary；
• Committee: 为了提高可扩展性，Random Beacon 和Notary 是有一个committee 进行的，当网络规模较小时，该committee可以包括所有的节点，在规模大的网络里，committee是一个随机选出的clients集合，每个r的Random Beacon输出会随机选出下一个r的committee。committee的size取决于一个叫错误概率计算的值；
• Block Ranking: 每一个round开始的时候，Random Beacon会产生一个ξr，表示所有注册进来的节点的优先顺序，每个节点都会进行区块打包，但是被分配高的优先级的区块会优先被committee公正而上链。
• Notarization: 一旦某个节点收到一个有效的随机信号ξr， 它就会进行区块打包，并将块发送给公正人notary；公正人会等一个特定的时间，即前面介绍到的BlockTime，在这个时间内，公证人会收集。
• Decentralized Random Beacon: 去中心化的随机信号算法是由committee中全部的节点的共同产生的，这个beacon像一个可信的第三方。通过使用阈值签名机制，committee并不需要对每个输出进行拜占庭算法验证，从而提高了速度。
• Decentralized Notary: 去中心化公正实际上就是一个Full Byzantine Agreement算法，但是该算法效率较低，故Difinity采用了一种乐观验证的方法，他认为通常情况下根据random beacon每个round只会有一个块被确认，所以在公正块时不进行交互确认，偶尔会出现分叉，Difinity的排序算法用来解决这种分叉，以使网络达到最终一致；