區(qū)塊鏈行業(yè)技術(shù)引卷之三：主流區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制的簡(jiǎn)介與比較

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1、目錄1記賬權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)——ProofofX類(lèi)共識(shí)機(jī)制41.1ProofofWork工作量證明41.2ProofofStake權(quán)益證明51.2.1Peercoin——PoS共識(shí)的先驅(qū)者61.2.2Nextcoin——“未來(lái)已經(jīng)注定”61.2.3傳統(tǒng)PoS的安全性與缺陷71.3PoS的改進(jìn)共識(shí)機(jī)制81.3.1PoA（ProofofActivity）活躍證明81.3.2Casper——下一代ETH投注共識(shí)91.3.3Ouroboros——首個(gè)可證安全的PoS共識(shí)算法91.3.4PoSV（ProofofStakeVelocity）權(quán)益流通證明101.4其他Proofo

2、fX類(lèi)共識(shí)101.4.1ProofofAuthority101.4.2ProofofBelievability101.4.3IPFS與時(shí)空證明101.4.4ProofofBurn111.5將“浪費(fèi)”的算力用于有意義的計(jì)算112直接形成共識(shí)——BFT類(lèi)共識(shí)機(jī)制112.1pBFT——實(shí)用拜占庭容錯(cuò)112.2基于聯(lián)邦拜占庭協(xié)議的共識(shí)機(jī)制123通過(guò)選舉間接形成共識(shí)——Delegated共識(shí)機(jī)制133.1DPoS（DelegatedPoS）133.2DPoS-BFT144不再是區(qū)塊“鏈”——DAG類(lèi)共識(shí)機(jī)制144.1使用DAG作為記錄賬本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)145幾類(lèi)共識(shí)機(jī)制

3、的對(duì)比165.1共識(shí)機(jī)制分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)165.2BFT類(lèi)共識(shí)與ProofofX類(lèi)共識(shí)的比較175.3PoW和PoS的比較17圖表目錄圖表1：發(fā)生鏈分叉時(shí)PoS節(jié)點(diǎn)的決策8圖表2：發(fā)生鏈分叉時(shí)PoW礦工的決策8圖表3：pBFT的“三階段協(xié)議”12圖表4：Tangle結(jié)構(gòu)示意15圖表5：向Tangle中添加新交易15圖表6：Tangle共識(shí)中交易的確認(rèn)等級(jí)15圖表7：主流共識(shí)機(jī)制總結(jié)16在上一篇專題中，我們以BTC為例分析了ProofofWork（PoW，工作量證明）共識(shí)機(jī)制。中本聰在BTC白皮書(shū)：《一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》中提出了一種能夠應(yīng)用到區(qū)塊鏈中的PoW共

4、識(shí)機(jī)制，其核心思想是通過(guò)要求網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)付出一定量的算力競(jìng)爭(zhēng)記錄區(qū)塊的權(quán)利（即記賬權(quán)），來(lái)保證共識(shí)的一致性。我們回顧一下上篇專題提出的“共識(shí)機(jī)制關(guān)鍵要素”，并將PoW共識(shí)機(jī)制的特點(diǎn)總結(jié)如下：1.容錯(cuò)：PoW能夠容忍拜占庭節(jié)點(diǎn)，并且容錯(cuò)能力為1/2；2.CAP：PoW可以滿足CAP，但網(wǎng)絡(luò)效率較低；3.哪些節(jié)點(diǎn)可以參與共識(shí)過(guò)程：網(wǎng)絡(luò)中的全部節(jié)點(diǎn)；4.節(jié)點(diǎn)如何獲得記賬權(quán)：通過(guò)解決Hash謎題；5.需要形成共識(shí)的內(nèi)容：若干交易打包的區(qū)塊；6.形成共識(shí)的依據(jù)：區(qū)塊內(nèi)的交易是否合法，以及當(dāng)前鏈?zhǔn)欠駷樽铋L(zhǎng)鏈；7.激勵(lì)措施：記賬節(jié)點(diǎn)可以獲得區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)；8.懲罰措施：沒(méi)有對(duì)

5、惡意節(jié)點(diǎn)直接的懲罰機(jī)制（但有挖礦的沉沒(méi)成本）；4和6分別代表了工作量證明的兩個(gè)特點(diǎn)：一是工作量（Work），由于節(jié)點(diǎn)需要不斷改變區(qū)塊頭中的nonce值使區(qū)塊Hash滿足一定的條件，找到合法區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)必然需要付出相應(yīng)的工作量，即為Work；二是證明（Proof），其他節(jié)點(diǎn)可以迅速地驗(yàn)證區(qū)塊的合法性，即能夠?qū)?jié)點(diǎn)的工作量進(jìn)行檢驗(yàn)，即為Proof。隨著數(shù)字通證逐步被更多的人所認(rèn)知，人們也對(duì)其采用的底層區(qū)塊鏈技術(shù)的共識(shí)機(jī)制進(jìn)行不斷改進(jìn)。其中有一類(lèi)稱為ProofofX。與PoW類(lèi)似，這類(lèi)共識(shí)機(jī)制主要針對(duì)PoW的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)記賬權(quán)的方式作出改進(jìn)或替代方案。1記賬權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)—

6、—ProofofX類(lèi)共識(shí)機(jī)制BTC的初衷是建設(shè)一個(gè)開(kāi)放的公有區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以自由地加入以及退出，能夠平等地競(jìng)爭(zhēng)記賬權(quán)。在這一類(lèi)共識(shí)機(jī)制下，節(jié)點(diǎn)獲得記賬權(quán)的概率與該節(jié)點(diǎn)擁有某種資源的比例相關(guān)，并且這種資源是難以壟斷的。此外還需要一個(gè)能夠快速驗(yàn)證某個(gè)節(jié)點(diǎn)確實(shí)擁有這部分資源的算法。在PoW共識(shí)機(jī)制中，這種資源是所謂的“算力”，即一定量的CPU或GPU計(jì)算時(shí)間，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)算力則是利用了Hash函數(shù)易于計(jì)算、內(nèi)容隱秘的特性。在PoS（ProofofStake）共識(shí)中，資源是所謂的“權(quán)益”，節(jié)點(diǎn)按照其持有的某種權(quán)益數(shù)量的比例分配記賬權(quán)。此外還有PoSpa

7、ce（ProofofSpace）類(lèi)共識(shí)，資源是節(jié)點(diǎn)提供的一定量磁盤(pán)或者內(nèi)存空間；ProofofBandwith，資源是節(jié)點(diǎn)提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬；ProofofOwnership，資源是節(jié)點(diǎn)所持有的特定數(shù)據(jù)。1.1ProofofWork工作量證明我們將PoW的哈希解謎過(guò)程表示為節(jié)點(diǎn)不斷改變區(qū)塊頭部的nonce使區(qū)塊Hash滿足目標(biāo)條件Target的過(guò)程，可以由以下的公式描述：H(?????+?????)

8、們把x的取值范圍稱為節(jié)點(diǎn)的搜索空間。PoW機(jī)制中節(jié)點(diǎn)的搜索空間是所