区块链-共识机制（POW、POS、DPOS、PBFT、POI、POP、POOL）

文章目录： https://blog.csdn.net/u012391423/article/details/116136906

 

目录

 

 

 

一、什么是共识机制

二、CAP定理和FLP不可能性定理

1、CAP定理

2、FLP不可能定理

三、去中心化

1、去中心化分层

四、共识机制分类

1、POW

2、POS

    3、DPOS

  3.1、DPOS选举机制

   4、PBFT   拜占庭容错算法        

5、POI

6、POP 

7、POOL验证池

五、总结

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一、什么是共识机制

每一个了解学习区块链的童鞋，都应该或多或少的了解过"拜占庭将军"的问题，这也是我们叩开区块链大门的第一块砖。

其源自于图灵奖得主 莱斯利·兰波特 在其论文中提出的关于分布式对等网络中通讯容错的问题：在分布式的网络中，不同的计算机通过通讯交换信息达到共识一致，按照同一套策略执行，但是有时候，网络中的计算机会因为某种原因发送错误信息，发送通讯的网络也可能使消息发生损坏，使网络中关于共同策略得出不同的结论，从而破坏系统的一致性。

这也是区块链共识机制产生的根源，所谓共识就是在一个多方对等系统中，在某一时刻对某一个值达成一致。换句话说，任何系统的共识机制都要回答以下几个问题：

1、一个区块应该包含哪些信息（订单）

2、一个新区块何时产生

3、一个新区块由谁负责生产

4、如何升级共识机制

5、如何解决历史订单竞争的问题（分叉的问题）

共识机制就是要解决以上的问题，以保证系统的健壮性，防止攻击者试图获取网络的控制权，而获取了网络控制权，亦即是获取了对链上信息的审阅及编辑权限。

二、CAP定理和FLP不可能性定理

分布式系统中有两个已经明确的定理，CAP定理 && FLP不可能定理

1、CAP定理

     在一个分布式系统中，Consistency（一致性）、Availability（可用性）、ParTITIon tolerance（容错性），三者只能取二，无法三者共存

    一致性，要求系统中所有数据，在同一时刻达到一致。

    可用性，要求系统在部分节点出现故障后，整个系统不会瘫痪，而您能正常运行

    容错性，如果在一定时限内，系统内数据无法达成一致，那么需要在一致性和可用性之间斟酌一个平衡

2、FLP不可能定理

在允许节点故障的前提下，纯粹异步的系统，无法在有限时间内达成一致。

FLP定理，明确在异步系统中，在有限时间内，无法达成一致；而CAP定理则要求我们在设计算法时，选择一个平衡点，是采用CP（高一致性）或者是采用AP（高可用性）；

共识算法本身可以描述为在一个步骤中，让所有节点对某一个值达成一致，即使存在故障节点，整个系统也可以忽略这些噪音、或者将噪音的影响降到最低，以保证系统顺畅运行。

三、去中心化

     在一个中心化的系统中，共识是有中心点决定的，系统只需要接收中心的命令即可，这也是中心化系统高效的原因

     而去中心化的系统中，所有节点都是对等的，当节点发生分歧时，就需要我们设计巧妙的共识机制或者算法，来保证系统的运行

     我们无法确认一个系统是去中心化的，我们只能量化其去中心化程度。

     比特币系统，被认为是去中心化的极致，但是事实是这样吗？

1、去中心化分层

   1、系统部署的去中心化，在现实世界中，基于docker等虚拟技术或应用此技术的云平台，以下三个问题是我们需要明确的：系统中有多少节点、部署在多少台物理机、分散在多少地区；我们部署去中心化的目的，就是为了减少同一时间发生故障的节点数量，就是为了分担风险，这和我们买保险是一样的。

   2、系统逻辑上的去中心化，一个系统中有一种角色还是多种角色；由一台设备还是多种不同种类的设备构成。

   3、系统治理的去中心化，针对一个区块链项目，有两个重要的权限控制：系统修改权限和系统数据权限

四、共识机制分类

1、POW

   工作量证明机制 proof of work 

   基本原理，这是第一代的共识机制。是比特币的基础，借鉴了很多hashCash思想，理解起来非常简单 —— 按劳分配 ， 多劳多得；在比特币的世界里，我们的劳务付出 ， 就是算力 * 时长 ， 我们提供这种服务的过程，俗称 "挖矿" 。   

   在pow系统中，有两种角色：工作者、验证者
   
 对于生产者：

          1、完成工作，必须有一定的工作量，这个量的大小由验证者给出  

          2、工作者不能自己创造工作，必须有验证者发布  

          3、工作者没有捷径可走
   
对于验证者：

          1、可以迅速的验证工作量是否达标   

 

优点：

          1、去中心化，将记账权公平的分派到其他节点

          2、安全性高，破坏系统需要投入几大的成本

          3、以挖矿的方式发行新币，把新币分发给个人，实现先对公平

   缺点：

          1、能源消耗过大，造成资源浪费

          2、算力集中化，挖矿有CPU / GPU / ASIC /矿场矿池 ， 算力越来越集中，比特币系统也趋于中心化

          3、网络性能低，比特币出块的时间是10分钟，交易确认需要经过6个块的累加，大概1小时左右

2、POS

   股权证明机制 （Proof of Stake）

         1、源于点点币（PPC）的创新，去掉了挖矿的过程，摒除了比特币能源消耗的问题。在创世区块写明股权分配的机制，之后通过转让、交易（IPO）分散到用户手里；以利息的方式发行新币，实现对节点的奖励

         2、简单来讲根据持有币的数量 、 持有币的时间 ，来发行新币的共识机制。就像现实生活中的股票或者银行存款，我们存款的金额越多、时间越长，获得利息（发行的新币奖励）也就越多

    点点币、ADA爱达币、Nxt未来币、Qtum量子链、ETH 是pow和pos的综合应用   

优点：

         1、节能，不要挖矿，减少了能源损耗

         2、去中心化程度更高。首先明确，去中心化是相对的。相对比特币，pow的算法，pos的共识机制，对硬件的要求更低，人人都可以持有币，获取利息。而不用担心算力集中的问题

         3、避免紧缩的问题。比特币因为奖励减半的设计、用户的流失，有紧缩的风险。以利息方式的发行新币，假定 "利率" 恒定的情况下 ， 货币的增量 ， 也会保持一定的增速，符合经济的发展

   缺点：

        1、纯PoS机制的加密货币，只能通过IPO的方式发行，这就导致“少数人”（通常是开发者）获得大量成本极低的加密货币，在利益面前，很难保证他们不会大量抛售。

        2、PoS机制的加密货币，信用基础不够牢固。

        3、为解决这个问题，很多采用PoW+PoS的双重机制，通过PoW挖矿发行加密货币，使用PoS维护网络稳定。或者采用DPoS机制，通过社区选举的方式，增强信任。

    
3、DPOS

 Delegated proof of stake  授权股权证明机制
 无人控制的网络系统，发行利润，并将利润分配给股东，具体规则硬编码到软件中，类似现实世界中的公司股份制，代表币种EOS

 
 3.1、DPOS选举机制

 在dpos系统中，网络的正常运转依赖于受托人（Delegates），受托人的职责：
         1、保证节点正常运行
         2、打包、验证交易，出块
         3、接收广播区块，将其他节点验证的区块，添加到自己的数据库
         4、带领并促进区块链项目的发展
 
 Dpos系统，算法要求系统的三件事：
         1、随机指定生产者出场顺序，任何节点不能预生产区块
         2、不按顺序生产的区块无效
         3、每过一个大周期，重新排定顺序
 
 
 优点： 
        1、能耗更低 ， dpos机制将全节点减少至101个，在保证网络安全的前提下，能耗更低 
        2、更加去中心化，随着矿机及矿业的发展，pow机制的比特币，算力集中在几个大的矿场手中；pos机制的未来比，要求客户一直开着客户端，这是不显示的，结果和比特币类似，真正的网络节点由几个股东把持；dpos机制，选择101个代理节点，更加的去中心化;
        3、更快的确认速度，dpos的记账权是不需要竞争的，而是根据一定规则的轮换，所以有更快的区块生成速度，一个块的时间是10秒，一笔交易在6个块后得到永久的确认，大概一分钟的时间，101个节点的大循环，也仅仅需要16分钟。
        
        
缺点：
 
        1、投票的积极性比较低。投票需要时间、精力及技能的投入，针对大部分投资者，是不现实的。
        2、对于坏节点，社区的选举不能实时的有效阻止，造成网络的安全隐患
        
     

   
4、PBFT   拜占庭容错算法        

拜占庭容错算法，以计算为基础，没有代币奖励，当网络节点稍微1/3的反对时，系统达成共识
优点：算法的可靠性有严格的证明，具备n-1/3的容错性
缺点：当系统大于等于1/3的节点，停止工作后，整个网络瘫痪

 

5、POI

proof of importance 重要性证明。根据账户的重要性评分来分配记账权的概率

 

6、POP 

proof of Participation ，参与度证明，POI与DPOS的思想结合
这是标准链CZR的创新，基于账户参与数的算法，来分配记账权的概率。
低功耗、速度快，更加安全

7、POOL验证池

基于传统的分布式一致性技术，加上数据验证机制。
优点：不需要代币也可以工作，在成熟的分布式一致性算法（Pasox、Raft）基础上，实现秒级共识验证。
缺点：去中心化程度不如bictoin；更适合多方参与的多中心商业模式。

五、总结

没有完美的共识机制，只有适合业务使用场景的最合适的共识机制

 POW ：按劳分配，实现相对公平
 POS ：类似于银行存款，获取利息。持有股权越多权利越大
 DPOS ：类似于董事会或者人民代表大会
 PBFT ：基于消息传递的一致性算法，经过与准备、准备、确认一致三个阶段
 POI ：POS变种 ，但是重要性来分配记账权，要了解的是 重要性和贡献度是两个概念
 POP ：依照参与度分配记账权。出块的速度可控，又能避免首富作恶的问题。小节点可以通过提升算力来获取更多的记账权
 POOL : 国产的验证池，