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DEFI:区块链入门 | 如何用共识算法构建区块链共识网络?_Defi Shopping Stake

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作者:赵超越

Hi,相信关注区块链的你,一定对经常听到的“共识”一词充满了好奇,那作为区块链灵魂的共识算法到底是什么呢?

今日在线解决三大疑问:共识算法到底是什么?有哪些?未来发展如何?

共识算法到底是什么?

在了解这个概念之前,或许我们得先回顾一下,什么是区块链?我们上期给出的一句话总结是:“区块链是由分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术构成的分布式数据库技术,可为存证溯源、业务协作、数字资产、数据交换等高价值场景提供多方互信的解决方案。”

其中,共识机制就是我们今天要聊到的——共识算法。

共识算法是用于保证分布式系统一致性的机制。这里的一致性可以是交易顺序的一致性、账本一致性、节点状态的一致性等。

在上期家庭财政举的例子中,夫妻各自管理自己的账本时,新增的每一笔收入都需要经过两人的共同查验,确认无误后才会被分别记入二人的账本中,并确认双方账本是否一致。其中“共同查验”、“确认双方账本一致”的过程就是共识。

火币研究院“区块链百家讲坛”:区块链下的“普惠”供应链金融:7月22日,火币研究院“区块链百家讲坛”第十季上线,火币研究院的研究员陈圣桦以《区块链下的“普惠”供应链金融》为主题,从区块链结合供应链金融行业的优势、模式探讨、落地难点等方面进行解读,并对两大领域的结合进行了展望。

陈圣桦指出,通过区块链技术与供应链金融的相结合,能打破以往数据孤岛的现象,建立信任机制,并实现核心企业的信用跨级传递。在结合智能合约的基础上,提升全链条的业务协作与融资效率,降低了以往因企业违约为金融机构带来的履约风险,有效解决供应链金融场景下中小企业信用和融资问题。[2020/7/22]

共识算法有哪些?

想要达成共识,我们就必须得解决一个问题:听谁的?

比比谁更强,谁更快:POW工作量证明、Raft算法。

世界经济论坛:对企业使用来说区块链仍缺乏互操作性:金色财经报道,4月9日,世界经济论坛(WEF)发布了关于区块链互操作性的白皮书,作为其对供应链区块链部署的更广泛调查的一部分。该论文与四大会计师事务所德勤(Deloitte)合作撰写,着重强调了互操作性的必要性,并探讨了不同区块链在当前状态下可以相互交互的程度。根据WEF的数据,当前的区块链互操作性水平仍然太低。WEF强调,当前区块链到区块链解决方案的互操作性水平“对于企业使用而言仍不成熟”。[2020/4/11]

以「王者荣耀」为例,五个路人刚组好战队,需要选出一名指挥官,决定如何在比赛时交流信息,保证行动的一致性,从而一起夺得战队赛的好名次。

有人提出在王者快跑一决高下,这个趣味赛要求玩家随机选择英雄,利用英雄技能,谁先抵达终点谁就胜出,担任指挥官。这意味着使用同样的英雄,谁的技能操作更熟练,位移更准确且迅速,谁的能力更强,经验更足,也自然更能胜任指挥官。

这种方法的原理就是比特币使用的工作量证明机制,区块链中哪个节点的算力更强,就更有可能发现下一个区块的有效值。然而正如这个例子中,玩家需要在常规比赛之外再另比一场王者快跑的比赛,而且对于不擅长玩位移英雄的玩家来说不公平。对应到区块链中,节点在处理链上信息的同时,还要时时与其他节点比赛算力,POW算法最终变成算力的角逐,浪费大量算力,也使得POW失去了公平的初衷。

声音 | 卢旻:区块链只有在生态体系下才可能发挥巨大的价值:据中国保险网消息,上海保险交易所信息技术事业部负责人卢旻认为,技术、应用和生态这三个引擎可对保险业进行赋能。技术是基础,保险业必须要自己掌握着一定的技术。其次是应用,区块链最缺的是应用场景,而且区块链在企业内价值是很有限的。再次是生态,区块链只有在生态体系下才可能发挥巨大的价值。[2018/11/19]

为了节省算力消耗,也有人说不如去五军对决,每人占据一个buff点,等待随机刷新的重生之石。谁先等到刷新的重生之石,谁就成为候选人,如果同时等到,则同时当选候选人,就不用增加过多的比赛。候选人具备竞选指挥官的资格,指挥官由大家投票选出,每人手中仅有宝贵的一票,而第一个收到一半以上票数的候选人即可当选指挥官。这种方法的原理就是Raft算法,像所有人都需等待重生之石随机刷新那样,Raft算法中的普通节点需要等待随机的时间变成候选节点,没投过票的普通节点可以把票投给候选节点,收到一半以上票数的候选节点即可成为领导节点。

拒绝作恶:RBFT算法、BFT类拜占庭容错算法

金色晚报 | 区块链专利城市分布呈现“北深上杭广”新格局 桐成控股被收购后今日复牌大涨:区块链社交平台SOMA获芬兰政府资助;Lambda获FBG Capital投资;BTC全网算力大幅下降,算力为48.372EH/s。更多晚报内容,请查看图片。[2018/8/30]

但即使通过上面两种方法选出了指挥官,也并不意味着战队就能统一行动,夺得最终的胜利。可能有队员其实是个“演员”,实际上却并不听从指挥,反而假传指挥官命令给其他队友,带着他们单独行动。这种情况下,保证战队比赛时能够交流真实的有效信息,就尤为重要。在区块链中,这被称作存在作恶节点的情况,此时系统应该如何达成共识呢?

既然如此,干脆取消竞选指挥官的环节,每个人都有担任指挥官的机会,在实战中检验大家的指挥能力。在每局比赛中,系统会不断发出提示,比如“摧毁敌方防御塔”。指挥官筛选出这些消息中的有用消息,再向其他队友转达进攻指令。队友们在收到消息后自行判断这个命令是否合理,如果觉得合理,就回复“收到”,一旦收到超过2/3的其他队友回复的“收到”,就明白大多数队友都会配合,便放心发起进攻。在一局比赛结束后,如果超过2/3的队友认为这局的指挥官不行,就更换指挥官的人选。

A股区块链概念股收涨0.77%:今日A股收盘,区块链概念股小幅上涨0.77%,主力资金净流出1.45亿元。个股方面39家上涨,18家下跌。涨幅排名前三的是精准信息(+6.28%)、润和软件(+5.30%)、信息发展(+3.53%)。[2018/5/8]

这便是趣链高鲁棒性拜占庭容错算法的原理,客户端给主节点发送请求,主节点收到请求后发送消息给所有从节点,从节点给其他所有节点发送消息确认收到,收到超过2/3确认消息的从节点执行命令,并同时通知其他所有节点,最终将执行结果反馈给客户端,如果主节点出现故障则进行视图切换,更换主节点。

除此之外,RBFT算法在基于普通的拜占庭容错算法的基础上做了诸多改进,比如利用Recovery机制提升了系统的可靠性、拓展性,当队员因网络卡顿等原因重新游戏链接时,队员能够自动回顾重连过程中错过的战局信息与小队指令,让队员能够跟上游戏进度。

RBFT算法-王者荣耀版示意图

RBFT算法示意图

更优化的传递共识:NoxBFT算法、HotStuff算法

但又有人提出,当小队的人数变多时,BFT类的算法的要求的所有队友互相交流就会有些麻烦,所有人最好仅与指挥官交流。

为了降低交流的成本,且确保指挥官的指令得到了大部分人的认可,每个人都会在回复指挥官的消息中附上自己的头像,而指挥官在给所有人发送最终指令时,会附上这些头像的集合,来证明指令经过了大家的认可,否则队员可以无视指令。除此之外,还把更换指挥官的步骤直接挪到比赛中,以免指挥官在比赛中临时断线或者状态不佳总发送错误指令。

这就是HotStuff算法的原理,它将BFT的网状通信网络拓扑变成了星形通信网络拓扑,节点不再通过p2p网络将消息广播给其它节点,而是将消息发送给主节点,由主节点处理后发送给其它节点。得益于星型通信网络拓扑,系统的通信复杂度得到了大大降低。它通过将视图切换流程和正常流程进行合并,也降低了视图切换的复杂度。

BasicHotStuff的流程

在借鉴HotStuff算法的理念后,自研NoxBFT算法,在大规模组网环境下,能够有效降低区块链网络传输的复杂度,提升系统的共识效率与可扩展性。

所以,我们支持哪些共识算法?

我们的共识模块采用可拔插的模块化设计,用户可针对不同的业务场景需求按需选择不同的共识算法。目前支持RBFT、NoxBFT、Raft共识算法,这三类算法分别有其适合的场景。

RBFT:具有高性能高鲁棒性,设计了动态数据自动恢复机制与动态共识节点增删机制,大大增强了共识模块的可用性,提升了系统的整体交易吞吐能力和系统稳定性,可达到万级TPS以及毫米级延迟。适用于一般数量级的节点组成的网络环境。

NoxBFT:借鉴Hotstuff算法后自研,通过星型网络拓扑结构将全网网络复杂度由O(n2)降低至O(n),减少了一个量级,并进一步优化算法的活性、可靠性以及数字签名性能,有效解决大规模节点组网场景下共识效率低下、可扩展性不强的问题,现已支持以千为数量级的大规模节点扩展。

Raft:区块链平台支持Raft共识算法保证账本一致性,在联盟各方足够信任的前提下,实现高效共识。该算法仅限于强信任联盟链场景中使用。

共识算法未来发展方向

区块链共识算法从一开始的算力密集型算法POW、POS开始,后来逐渐演变出减少耗能的选举型共识方式BFT等,整体性能上有4-5个数量级的提升。但随着节点数量增多到几百个甚至更大的共识节点规模,需要交换的信息增多,系统负载及网络通信量增大,性能会有所下降,可扩展性也较弱。如何突破共识性能、带宽瓶颈,实现大规模节点高效共识、增强可扩展性是当前共识研究的重要发展方向。

目前,共识算法的研究尝试结合更多的技术进行优化,比如引入VRF保证主节点选取随机性和公平性,应用DAG数据结构提升系统吞吐量、结合密码学算法优化共识效率等等,整体趋势上是向混合型共识算法演变。

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