區(qū)塊鏈導(dǎo)論 課件 第四章：共識(shí)算法

第四章：共識(shí)算法Chapter4:ConsensusAlgorithm作者:北京大學(xué)匯報(bào)時(shí)間:2024/07/03目錄共識(shí)算法概述01RAFT共識(shí)算法03共識(shí)算法的未來(lái)發(fā)展05共識(shí)問(wèn)題02共識(shí)算法的應(yīng)用04思考題06

1.共識(shí)算法概述1.Overviewofconsensusalgorithms011.1共識(shí)正確性的定義一個(gè)正確的共識(shí)算法需要滿足以下三個(gè)核心特性：一致性（Agreement）：在分布式系統(tǒng)中，所有參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)必須對(duì)某個(gè)決策值達(dá)成一致。這意味著即使不是所有節(jié)點(diǎn)都同意同一個(gè)決策值，也至少要有大多數(shù)節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)。一致性確保了系統(tǒng)不會(huì)分裂成多個(gè)持有不同決策值的子集。有效性（Validity）：最終的決策值必須是系統(tǒng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)提出的有效值，而不是一個(gè)預(yù)設(shè)的默認(rèn)值。有效性確保了共識(shí)的結(jié)果是基于實(shí)際提出的值，而不是一個(gè)無(wú)關(guān)緊要的默認(rèn)選項(xiàng)。這也有時(shí)被稱為正確性，強(qiáng)調(diào)了決策值的正確來(lái)源。終止性（Termination）：所有節(jié)點(diǎn)最終都必須完成決策過(guò)程。終止性保證了共識(shí)算法能夠在有限的時(shí)間內(nèi)完成，不會(huì)無(wú)限期地運(yùn)行下去，從而確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。1.2共識(shí)的通信模型共識(shí)的通信模型主要分為以下三類：同步模型（SynchronousModel）：在同步模型中，網(wǎng)絡(luò)通信具有已知的延遲上限，即消息傳遞有一個(gè)最大延遲時(shí)間。每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理事務(wù)的時(shí)間有一個(gè)已知的最大差異。每輪共識(shí)中，節(jié)點(diǎn)都能在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，如果超時(shí)則可以認(rèn)為節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障。同步模型是一種理想化的模型，在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)，但早期的共識(shí)算法多以此為基礎(chǔ)。異步模型（AsynchronousModel）：異步模型中，消息傳遞的延遲沒(méi)有已知的上限，即消息可能無(wú)限延遲。節(jié)點(diǎn)處理任務(wù)的速度未知，且可能有很大的差異。無(wú)法通過(guò)超時(shí)來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)是否正常工作，因?yàn)檠舆t可能非常長(zhǎng)。異步模型更接近現(xiàn)實(shí)世界的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，適用于異步模型的共識(shí)算法也適用于同步模型，但反之則不成立。FLP不可能定理指出，在純粹的異步模型中，無(wú)法設(shè)計(jì)出總是能夠達(dá)成共識(shí)的算法。1.2共識(shí)的通信模型3.部分同步模型（PartialSynchronyModel）：部分同步模型介于同步模型和異步模型之間。存在一個(gè)全局穩(wěn)定時(shí)間（GST），在這段時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)可以被認(rèn)為處于同步狀態(tài)，共識(shí)可以進(jìn)行。如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題，共識(shí)流程可能終止，但經(jīng)過(guò)GST后，網(wǎng)絡(luò)會(huì)恢復(fù)到同步狀態(tài)，共識(shí)可以繼續(xù)。這種模型更符合現(xiàn)實(shí)世界的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，即在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)是可靠的，偶爾會(huì)出現(xiàn)故障。部分同步模型是許多現(xiàn)代共識(shí)算法的基礎(chǔ)，如Paxos和PBFT。1.3共識(shí)算法的詳細(xì)案例分析1.比特幣的PoW（工作量證明）算法原理：礦工通過(guò)計(jì)算哈希值來(lái)競(jìng)爭(zhēng)記賬權(quán)，成功找到符合要求的哈希值后即可添加區(qū)塊。優(yōu)點(diǎn)：高度去中心化，安全性高。缺點(diǎn)：能源消耗巨大，交易確認(rèn)時(shí)間長(zhǎng)。2.以太坊的PoS（權(quán)益證明）算法原理：通過(guò)持有代幣的數(shù)量和時(shí)間來(lái)決定誰(shuí)有記賬權(quán)，減少了對(duì)計(jì)算能力的依賴。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能環(huán)保，交易確認(rèn)速度快。缺點(diǎn)：初期分配不公平，富者恒富。3.PBFT（實(shí)用拜占庭容錯(cuò)）在聯(lián)盟鏈中的應(yīng)用原理：通過(guò)多輪投票機(jī)制實(shí)現(xiàn)共識(shí)，確保系統(tǒng)在有不超過(guò)1/3惡意節(jié)點(diǎn)的情況下仍能正常運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)：高效低延遲，適用于私有鏈和聯(lián)盟鏈。缺點(diǎn)：不適用于公有鏈，擴(kuò)展性差。2.共識(shí)問(wèn)題2.Consensusissues02問(wèn)題背景：拜占庭帝國(guó)的將軍們必須通過(guò)信使來(lái)溝通，以達(dá)成是“進(jìn)攻”還是“撤退”的共識(shí)。將軍們之間相隔遙遠(yuǎn)，無(wú)法面對(duì)面交流。存在叛徒可能散布虛假信息或發(fā)送矛盾的指令。問(wèn)題定義：需要找到一個(gè)算法，即使在有叛徒的情況下，也能讓忠誠(chéng)的將軍們達(dá)成正確的決策。叛徒的行為被稱為“拜占庭錯(cuò)誤”。問(wèn)題復(fù)雜性：叛徒可能以任意方式行為，包括發(fā)送矛盾的信息或不發(fā)送信息。忠誠(chéng)的將軍們必須識(shí)別并忽略叛徒的影響。解決方案：拜占庭容錯(cuò)（BFT）算法提供了一種解決方案。當(dāng)總節(jié)點(diǎn)數(shù)N大于或等于3倍的叛變將軍數(shù)F加1（N≥3F+1）時(shí)，問(wèn)題有解。2.1拜占庭將軍問(wèn)題5.共識(shí)過(guò)程：每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到提案后，會(huì)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)消息以驗(yàn)證提案的真?zhèn)魏吞岚刚叩纳矸?。如果提案?jié)點(diǎn)不是叛徒，但收到了F個(gè)非正常的確認(rèn)消息，需要超過(guò)2/3的多數(shù)正常確認(rèn)才能達(dá)成共識(shí)。如果提案節(jié)點(diǎn)是叛徒，它會(huì)發(fā)送矛盾的信息，忠誠(chéng)的節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)進(jìn)一步的驗(yàn)證和多數(shù)投票來(lái)達(dá)成共識(shí)。6.問(wèn)題難點(diǎn)：在異步模型中，由于消息傳遞的延遲沒(méi)有上限，設(shè)計(jì)一個(gè)總是能夠達(dá)成共識(shí)的算法是非常困難的。FLP不可能定理表明，在純粹的異步模型中，不存在一個(gè)總是能夠達(dá)成共識(shí)的算法。7.實(shí)際應(yīng)用：拜占庭將軍問(wèn)題在現(xiàn)實(shí)世界中的分布式系統(tǒng)中非常普遍，如區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)共識(shí)。該問(wèn)題的解決方案對(duì)于設(shè)計(jì)能夠在存在惡意行為者的情況下仍然能夠可靠運(yùn)行的系統(tǒng)至關(guān)重要。拜占庭將軍問(wèn)題的核心挑戰(zhàn)在于如何在不完全信任的網(wǎng)絡(luò)中達(dá)成共識(shí)，并且要能夠抵御來(lái)自叛徒的干擾。2.1拜占庭將軍問(wèn)題2.2FLP不可能定理1.FLP定理影響共識(shí)設(shè)計(jì)FLP不可能定理揭示了分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)一致性共識(shí)的困難，對(duì)設(shè)計(jì)高效的共識(shí)算法產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。2.FLP定理的實(shí)用意義FLP定理雖然指出不可能在所有情況下都達(dá)成共識(shí)，但它為開(kāi)發(fā)者提供了設(shè)計(jì)容錯(cuò)分布式系統(tǒng)的實(shí)用指導(dǎo)。3.共識(shí)算法回避FLP限制盡管受到FLP定理的限制，但許多共識(shí)算法通過(guò)異步模型、故障檢測(cè)等方法成功地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)的共識(shí)。4.FLP定理的學(xué)術(shù)價(jià)值FLP定理是分布式系統(tǒng)理論的重要里程碑，為后續(xù)分布式計(jì)算和共識(shí)問(wèn)題的研究奠定了理論基礎(chǔ)。2.3CAP理論1.CAP理論定義重要性CAP理論定義了分布式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要在一致性、可用性和分區(qū)容忍性之間做出的權(quán)衡，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基石。2.一致性對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲敏感CAP理論中的一致性要求數(shù)據(jù)在所有副本中保持一致，對(duì)低延遲網(wǎng)絡(luò)要求高，現(xiàn)代系統(tǒng)常通過(guò)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)最終一致性。3.可用性影響用戶體驗(yàn)在分布式系統(tǒng)中，即使部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍需保持對(duì)外提供服務(wù)的能力，高可用性直接關(guān)聯(lián)用戶滿意度。4.分區(qū)容忍性必不可少隨著分布式系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)分區(qū)現(xiàn)象不可避免，CAP理論指出設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需確保其在網(wǎng)絡(luò)分區(qū)時(shí)仍能繼續(xù)運(yùn)行。5.設(shè)計(jì)啟示：在共識(shí)算法設(shè)計(jì)中，不必追求同時(shí)滿足三種特性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求做出取舍。例如，比特幣網(wǎng)絡(luò)犧牲了強(qiáng)一致性，采用最終一致性，以保證可用性和分區(qū)容錯(cuò)性，這導(dǎo)致了可能出現(xiàn)分叉和區(qū)塊回退。3.共識(shí)算法3.consensusalgorithm033.1.1RAFT概述1.RAFT性能卓越RAFT共識(shí)算法以其高效性和容錯(cuò)性著稱，能夠在分布式系統(tǒng)中快速達(dá)成數(shù)據(jù)一致性，確保系統(tǒng)的高可用性。2.故障恢復(fù)能力強(qiáng)RAFT通過(guò)選舉領(lǐng)導(dǎo)者和日志復(fù)制的機(jī)制，使得在節(jié)點(diǎn)故障時(shí)能夠快速恢復(fù)并繼續(xù)服務(wù)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。3.適用性強(qiáng)泛RAFT算法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，易于理解和實(shí)現(xiàn)，已廣泛應(yīng)用于多個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目和商業(yè)系統(tǒng)，顯示出其強(qiáng)大的適用性和擴(kuò)展性。4.社區(qū)支持活躍RAFT算法擁有活躍的社區(qū)支持和開(kāi)源維護(hù)，不斷推動(dòng)算法的演進(jìn)和優(yōu)化，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。3.1.2RAFT詳細(xì)流程1.RAFT的高效性RAFT共識(shí)算法通過(guò)減少不必要的通信開(kāi)銷和簡(jiǎn)化的日志復(fù)制機(jī)制，在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出顯著的性能提升，適用于大規(guī)模集群。2.RAFT的容錯(cuò)性RAFT算法通過(guò)選舉Leader并允許故障轉(zhuǎn)移，保證了系統(tǒng)即使在節(jié)點(diǎn)故障時(shí)也能繼續(xù)提供服務(wù)，具有高度的容錯(cuò)性。3.RAFT的可理解性相較于其他復(fù)雜的共識(shí)算法，RAFT算法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔直觀，易于理解，使得系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)更加便捷。Raft初啟動(dòng)多候選者多領(lǐng)導(dǎo)者無(wú)法選出領(lǐng)導(dǎo)者同步過(guò)程3.1.3RAFT算法的核心要點(diǎn)問(wèn)題分解：RAFT將一致性問(wèn)題分解為領(lǐng)導(dǎo)者選舉（LeaderElection）、日志復(fù)制（LogReplication）和安全性（Safety）三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的問(wèn)題。領(lǐng)導(dǎo)者選舉：領(lǐng)導(dǎo)者（Leader）是處理所有客戶端請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)生成日志數(shù)據(jù)并廣播給從節(jié)點(diǎn)（Follower）。從節(jié)點(diǎn)是被動(dòng)的，僅接收來(lái)自領(lǐng)導(dǎo)者的日志數(shù)據(jù)。候選節(jié)點(diǎn)（Candidate）是選舉過(guò)程中的過(guò)渡狀態(tài)，任何節(jié)點(diǎn)在發(fā)現(xiàn)領(lǐng)導(dǎo)者故障后都可成為候選節(jié)點(diǎn)。3.任期和心跳機(jī)制：RAFT通過(guò)任期（Term）來(lái)管理領(lǐng)導(dǎo)者選舉，每個(gè)任期的開(kāi)始都是一次選舉。使用心跳機(jī)制觸發(fā)領(lǐng)導(dǎo)者選舉，領(lǐng)導(dǎo)者通過(guò)周期性發(fā)送心跳信息維持其地位。4.日志復(fù)制：領(lǐng)導(dǎo)者接收客戶端請(qǐng)求，將命令作為新的日志條目加入日志，并廣播給從節(jié)點(diǎn)復(fù)制。從節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)日志條目，領(lǐng)導(dǎo)者確保所有從節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)了所有日志條目。3.1.3RAFT算法的核心要點(diǎn)5.安全性：RAFT通過(guò)任期號(hào)和日志匹配原則來(lái)確保日志的一致性和安全性。如果領(lǐng)導(dǎo)者的任期號(hào)過(guò)時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)換為從節(jié)點(diǎn)。6.動(dòng)態(tài)集群成員變更：RAFT支持動(dòng)態(tài)改變集群成員，使用聯(lián)合一致性（JointConsensus）方法來(lái)處理配置變更。7.簡(jiǎn)化管理：日志條目只從領(lǐng)導(dǎo)者發(fā)送給其他服務(wù)器，簡(jiǎn)化了日志復(fù)制的管理。領(lǐng)導(dǎo)者選舉的條件限制為擁有最新、最全日志的節(jié)點(diǎn)，減少了數(shù)據(jù)同步時(shí)間。RAFT算法以其清晰的結(jié)構(gòu)和邏輯，使得在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)變得相對(duì)容易，成為分布式系統(tǒng)中廣泛使用的共識(shí)算法之一。3.2.1Pow共識(shí)算法1.背景與概述RAFT共識(shí)算法的局限性

適用于私有鏈和內(nèi)部互信較高的聯(lián)盟鏈。

未考慮拜占庭節(jié)點(diǎn)（篡改數(shù)據(jù)、不一致消息）的情況。

PoW共識(shí)算法的應(yīng)對(duì)方式

增加作惡成本，減少拜占庭行為可能性。

鼓勵(lì)正常參與，通過(guò)獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制提升參與積極性。2.起源與發(fā)展1993年：辛西婭·德沃克和莫尼·瑙爾首次提出概念。

2008年：比特幣采用PoW作為共識(shí)算法，使其廣為人知。3.PoW共識(shí)算法核心哈希算法特性

輸入長(zhǎng)度任意，輸出為固定長(zhǎng)度（y=H(x)）。

正向計(jì)算簡(jiǎn)單，逆向計(jì)算困難（防篡改特性）。數(shù)學(xué)難題（Mining）

目標(biāo)：通過(guò)哈希函數(shù)計(jì)算小于目標(biāo)值（`htarget`）的哈希值。

隨機(jī)數(shù)（nonce）與區(qū)塊數(shù)據(jù)（data）、上一區(qū)塊哈希值（hprevious）共同參與計(jì)算。

難度調(diào)整：通過(guò)設(shè)置htarget控制計(jì)算難度和區(qū)塊生成時(shí)間。4.區(qū)塊生成與分叉區(qū)塊生成流程1.收集交易，生成區(qū)塊數(shù)據(jù)。

2.不斷調(diào)整隨機(jī)數(shù)nonce直到滿足條件hcurrent<htarget。

3.廣播區(qū)塊，接受全網(wǎng)驗(yàn)證，通過(guò)后獲得獎(jiǎng)勵(lì)。分叉問(wèn)題及解決

網(wǎng)絡(luò)延遲可能導(dǎo)致多個(gè)區(qū)塊同時(shí)上鏈。

采用

最長(zhǎng)鏈原則：選擇最長(zhǎng)的鏈作為主鏈，其他鏈回退，交易重新打包。3.2.2Pow共識(shí)算法5.關(guān)鍵挑戰(zhàn)與問(wèn)題51%算力攻擊如果單個(gè)節(jié)點(diǎn)算力占全網(wǎng)總算力的51%以上，可篡改鏈條并主導(dǎo)主鏈生成。資源消耗大

大量算力導(dǎo)致電力浪費(fèi)和資源損耗。

吞吐量低為降低分叉概率，區(qū)塊生成速度較慢，無(wú)法滿足高頻應(yīng)用需求。6.系統(tǒng)安全保障去中心化的實(shí)現(xiàn)算力分散：所有礦工均有機(jī)會(huì)生成新區(qū)塊，避免單點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

長(zhǎng)鏈原則：增加攻擊成本，降低系統(tǒng)被篡改的可能性。數(shù)學(xué)難題平衡挖礦激勵(lì)和系統(tǒng)安全性，避免分叉和資源浪費(fèi)。區(qū)塊結(jié)構(gòu)

分叉情況3.3.1PoS共識(shí)算法1.背景與動(dòng)機(jī)PoW共識(shí)算法的誕生資源消耗巨大，限制實(shí)際應(yīng)用。每日需消耗大量算力和能源，只能用于達(dá)成共識(shí)，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。PoS共識(shí)算法的提出受股份分紅機(jī)制啟發(fā)，權(quán)益論證以節(jié)點(diǎn)持有的股份（虛擬貨幣）決定其投票權(quán)重，降低資源消耗。2.核心概念驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)（Validator）節(jié)點(diǎn)通過(guò)投票虛擬貨幣作為股份參與投票，成為投票者節(jié)點(diǎn)。幣齡（Coinage）幣齡和虛擬貨幣作為股份的時(shí)間長(zhǎng)短呈線性關(guān)系，即Coinage=k×time幣齡隨股份使用歸零，無(wú)論是用于交易還是區(qū)塊生成。PoS對(duì)比DPoS3.3.2PoS共識(shí)算法驗(yàn)證通過(guò)后，代幣的幣齡歸零，以非股份形式返回持有者。獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制出塊者獲得獎(jiǎng)勵(lì)，受到關(guān)注參與討論。5.PoS優(yōu)勢(shì)節(jié)能出塊不依賴算力，依賴于持股比例和幣齡。大幅降低能源與資源浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。公平性改進(jìn)通過(guò)幣齡清零機(jī)制，確保出塊機(jī)會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整，唯一避免節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期占優(yōu)。3.區(qū)塊生成流程與PoW的共同點(diǎn)均需解決數(shù)學(xué)難題。使用哈希值htarget，通過(guò)計(jì)算獲取當(dāng)前區(qū)塊的哈希值hcurrent。PoS的改進(jìn)引入幣齡影響：只需要計(jì)算結(jié)果hcurrent<(htarget×Coinage)，便可以生成區(qū)塊幣齡，節(jié)點(diǎn)生成區(qū)塊的概率越大。大幅減少算力和能源消耗。4.區(qū)塊驗(yàn)證與獎(jiǎng)勵(lì)驗(yàn)證與廣播出塊者將包含已使用幣齡的代幣隨區(qū)塊廣播到全網(wǎng)，提供其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證。3.3.3PoS共識(shí)算法6.面臨挑戰(zhàn)安全性問(wèn)題無(wú)利害關(guān)系攻擊（NothingatStake）：攻擊者以底部甚至無(wú)成本發(fā)起分叉攻擊。幣齡機(jī)制可能使攻擊成本降低，系統(tǒng)更容易受到拜占庭行為的影響。公平性與激勵(lì)的平衡如何既維持系統(tǒng)公平性，又激勵(lì)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期參與。7.PoS的應(yīng)用與場(chǎng)景改進(jìn)方向典型應(yīng)用比特幣和以太坊等區(qū)塊鏈系統(tǒng)逐步向PoS轉(zhuǎn)型以減輕壓力。改進(jìn)方向增加攻擊成本（如復(fù)合PoS共識(shí)算法）。引入更多參數(shù)調(diào)節(jié)出塊權(quán)重，提升系統(tǒng)安全性和公平性。3.4.1DPoS共識(shí)算法1.背景與簡(jiǎn)介PoW和PoS的缺陷PoW：資源消耗巨大，算力集中化（礦池）。PoS：權(quán)益集中化趨勢(shì)（大節(jié)點(diǎn)壟斷）。DPoS目標(biāo)結(jié)合PoW和PoS優(yōu)勢(shì)，避免其缺陷。通過(guò)委托機(jī)制，在保留去中心化的同時(shí)提升效率。2.角色與結(jié)構(gòu)角色：1.候選人（Candidate）：通過(guò)注冊(cè)成為見(jiàn)證人的候選節(jié)點(diǎn)。2.投票人（Voter）：持幣者，有權(quán)投票選舉見(jiàn)證人。3.見(jiàn)證人（Witness）：由投票人選出的代表節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)生成區(qū)塊。權(quán)力制衡：投票人可以隨時(shí)更新選票，支持或反對(duì)投票人。見(jiàn)證人權(quán)利有限，需接受社區(qū)監(jiān)督。3.共識(shí)流程選舉流程：1.錯(cuò)誤注冊(cè)：提供標(biāo)識(shí)信息（介紹、網(wǎng)站等）。支付高額注冊(cè)費(fèi)用（生成單個(gè)區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)的上百倍）。2.投票機(jī)制：記錄可信（Trusted）和非可信代表（Distrusted）。根據(jù)投票表現(xiàn)評(píng)分，維護(hù)觀察代表（Observed）列表。投票產(chǎn)生見(jiàn)證人，并更新見(jiàn)證人列表。3.見(jiàn)證人輪流出塊：見(jiàn)證人按亂序輪流生成區(qū)塊，每個(gè)周期結(jié)束后重新選舉見(jiàn)證人。3.4.2DPoS共識(shí)算法4.技術(shù)特點(diǎn)中心化與去中心化平衡：提前設(shè)計(jì)中心化權(quán)益的分配與制衡機(jī)制，避免礦池化或大節(jié)點(diǎn)壟斷。高效區(qū)塊生成：每輪見(jiàn)證人排序后輪循物料，提升系統(tǒng)吞吐量。EOS.io和BitShares實(shí)現(xiàn)上千到上萬(wàn)級(jí)交易吞吐量。投票與動(dòng)態(tài)調(diào)整：投票權(quán)可隨時(shí)調(diào)整，阻止權(quán)力固化。投票需持續(xù)參與以達(dá)成成本平衡。5.優(yōu)勢(shì)高飼料：相比PoW和PoS，大幅提升交易效率，適應(yīng)商業(yè)需求。資源保護(hù)：避免PoW高算力消耗，減少資源浪費(fèi)。用戶參與興趣：普通用戶通過(guò)投票即可參與投票機(jī)制。3.4.3DPoS共識(shí)算法6.面臨挑戰(zhàn)部分去中心化的比重：系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期即具有中心化趨勢(shì)。部分投票人不積極參與投票，形成“運(yùn)行中空”。安全性風(fēng)險(xiǎn)：權(quán)力風(fēng)險(xiǎn)集中可能導(dǎo)致決策效率下降或故障。投票質(zhì)量問(wèn)題：投票行為可能受到賄選等外部因素影響。7.適用場(chǎng)景與典型應(yīng)用適用場(chǎng)景：高頻交易、需要快速共識(shí)的區(qū)塊鏈應(yīng)用。商業(yè)化需求（如去中心化交易所、支付系統(tǒng)）。典型應(yīng)用：EOS.io：提供企業(yè)級(jí)高效區(qū)塊鏈服務(wù)。BitShares：去中心化交易平臺(tái)。3.5.1PBFT共識(shí)算法3.核心過(guò)程

PBFT共識(shí)算法的核心過(guò)程有三個(gè)階段，分別是預(yù)備（pre-prepare）、準(zhǔn)備（prepare）和提交（commit）階段1.背景與適用場(chǎng)景適用：場(chǎng)景聯(lián)盟鏈，節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，但對(duì)交易吞吐量和交易確定性要求高。理論基礎(chǔ)：拜占庭普遍問(wèn)題，提出需需要滿足條件N≥3F+1，其中N為將軍總數(shù)，F(xiàn)為叛變將軍的數(shù)量，時(shí)間復(fù)雜度較高，為On(f+1)。算法優(yōu)化：1999年，MiguelCastro和BarbaraLiskov提出PBFT，其同樣滿足N≥3F+1的數(shù)量要求，但是算法的時(shí)間復(fù)雜度降低到了On(2)。

2.PBFT核心機(jī)制Quorum機(jī)制quorum機(jī)制常被用于分布式系統(tǒng)中以保證數(shù)據(jù)冗余存儲(chǔ)情況下結(jié)果的最終一致，實(shí)際上是一種投票機(jī)制。?PBFT共識(shí)算法的核心過(guò)程3.5.2PBFT共識(shí)算法為了實(shí)現(xiàn)PBFT算法，我們需要進(jìn)行以下步驟：初始化系統(tǒng)：選擇足夠數(shù)量的節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)，并確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道其他節(jié)點(diǎn)的存在。請(qǐng)求處理：當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)將請(qǐng)求發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行prepare階段的處理。消息傳遞：節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)傳遞prepare和commit消息來(lái)達(dá)成共識(shí)。這些消息需要在一定的時(shí)間內(nèi)被確認(rèn)和響應(yīng)。共識(shí)達(dá)成：當(dāng)收到足夠數(shù)量的prepare和commit消息后，節(jié)點(diǎn)就可以執(zhí)行請(qǐng)求并寫入數(shù)據(jù)。錯(cuò)誤處理：如果節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)存在問(wèn)題或故障，需要進(jìn)行相應(yīng)的處理和恢復(fù)機(jī)制。PBFT共識(shí)算法視圖變更流程3.6共識(shí)算法對(duì)比分析1.性能對(duì)比

PoW：低性能，交易確認(rèn)時(shí)間長(zhǎng)（10分鐘）。

PoS：中等性能，交易確認(rèn)時(shí)間較短（幾秒到幾分鐘）。

PBFT：高性能，低延遲（秒級(jí)）。2.安全性對(duì)比

PoW：對(duì)51%攻擊有一定防范，但需消耗大量能源。

PoS：對(duì)51%攻擊和女巫攻擊有一定防范，但需合理設(shè)計(jì)代幣分配。

PBFT：防范拜占庭故障，但不適用于大規(guī)模公有鏈。3.去中心化程度對(duì)比

PoW：高度去中心化，但礦池集中化問(wèn)題嚴(yán)重。

PoS：中等去中心化，受代幣初期分配影響。

PBFT：低去中心化，適用于小規(guī)模聯(lián)盟鏈。4.資源消耗對(duì)比

PoW：高資源消耗（計(jì)算能力和能源）。

PoS：低資源消耗（持有代幣）。

PBFT：低資源消耗（網(wǎng)絡(luò)通信）。3.7共識(shí)算法的優(yōu)化與改進(jìn)1.混合共識(shí)機(jī)制（HybridConsensus）結(jié)合PoW和PoS的優(yōu)勢(shì)，利用PoW保障安全性，利用PoS提升效率。例子：Decred采用的PoW+PoS混合共識(shí)機(jī)制。2.分片技術(shù)（Sharding）將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)小塊（Shard），每個(gè)小塊處理一部分交易，提升整體吞吐量。例子：以太坊2.0中的分片技術(shù)。3.DAG（有向無(wú)環(huán)圖）共識(shí)算法摒棄傳統(tǒng)區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，采用圖結(jié)構(gòu)提高交易并發(fā)量。例子：IOTA采用的Tangle共識(shí)算法。服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的任何消息都有可能會(huì)丟失，為了避免日志條目的缺失，保存到日志中的條目還需要額外保存添加這個(gè)條目時(shí)所在的任期

4.共識(shí)算法的應(yīng)用4.Applicationofconsensusalgorithm044.1比特幣共識(shí)算法1.區(qū)塊鏈提高效率共識(shí)算法如工作量證明和權(quán)益證明，在區(qū)塊鏈中確保交易安全性的同時(shí)，提高了網(wǎng)絡(luò)處理交易的速度和效率。2.智能合約保障信任基于共識(shí)算法的智能合約自動(dòng)執(zhí)行，無(wú)需第三方介入，大大降低了欺詐風(fēng)險(xiǎn)，保障了交易雙方的信任關(guān)系。以太坊工作量證明（PoW）挖礦難度調(diào)整網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性工作量證明（PoW）工作量證明（PoW）工作量證明（PoW）工作量證明（PoW）權(quán)益證明(PoS)權(quán)益證明(PoS)以太坊升級(jí)權(quán)益證明(PoS)以太坊升級(jí)權(quán)益證明(PoS)權(quán)益證明(PoS)權(quán)益證明(PoS)以太坊升級(jí)以太坊采用工作量證明以太坊逐步轉(zhuǎn)向權(quán)益證明權(quán)益證明(PoS)以太坊升級(jí)4.2以太坊共識(shí)算法4.3新型共識(shí)算法：1.去中心化程度不斷提高隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，共識(shí)算法將更強(qiáng)調(diào)去中心化，如采用分片技術(shù)提高可擴(kuò)展性，同時(shí)保持系統(tǒng)的去中心化特性。2.跨鏈共識(shí)成為新趨勢(shì)隨著多鏈和側(cè)鏈的興起，跨鏈共識(shí)算法成為研究熱點(diǎn)，它們能實(shí)現(xiàn)不同區(qū)塊鏈之間的價(jià)值轉(zhuǎn)移和信息交互。3.安全性與性能持續(xù)增強(qiáng)共識(shí)算法將不斷優(yōu)化，通過(guò)密碼學(xué)、分布式計(jì)算和智能合約等技術(shù)的結(jié)合，提升區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的安全性和交易處理性能。4.3新型共識(shí)算法1.Algorand共識(shí)算法原理：采用VRF（可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)）選舉出參與者，實(shí)現(xiàn)快速共識(shí)。創(chuàng)新點(diǎn)：高效、去中心化、安全。應(yīng)用前景：適用于高性能公有鏈。2.Avalanche共識(shí)算法原理：利用隨機(jī)抽樣和子采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速、可靠的共識(shí)。創(chuàng)新點(diǎn)：高吞吐量、低延遲、高擴(kuò)展性。應(yīng)用前景：適用于需要高頻交易的區(qū)塊鏈應(yīng)用。VRF（VerifiableRandomFunction）可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)4.3新型共識(shí)算法Algorand共識(shí)算法Algorand共識(shí)算法旨在通過(guò)隨機(jī)選擇用戶來(lái)進(jìn)行區(qū)塊提議和投票，結(jié)合加密抽簽和快速拜占庭協(xié)議，確保高效的共識(shí)達(dá)成且系統(tǒng)具備擴(kuò)展性和安全性。1.節(jié)點(diǎn)角色與共識(shí)流程Algorand每輪共識(shí)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)可以扮演三種角色：區(qū)塊提議者：用戶所持資產(chǎn)越多，成為提議者的優(yōu)先級(jí)越高，提議區(qū)塊被選中為出塊的概率越大。委員會(huì)成員：在全體用戶中隨機(jī)挑選的小規(guī)模節(jié)點(diǎn)集合，負(fù)責(zé)對(duì)提議的區(qū)塊進(jìn)行投票。普通節(jié)點(diǎn)：不參與提議或投票的用戶節(jié)點(diǎn)。2.核心技術(shù)Algorand共識(shí)算法的核心由兩大技術(shù)構(gòu)成：加密抽簽算法（CryptographicSortition）：通過(guò)可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)（VRF），以隨機(jī)的方式選出區(qū)塊提議者和委員會(huì)成員，難以被攻擊者定位?？焖侔菡纪f(xié)議（BA）：用于低延遲達(dá)成共識(shí)，避免分叉。3.加密抽簽過(guò)程系統(tǒng)首先使用VRF決定當(dāng)輪的隨機(jī)數(shù)種子，基于此隨機(jī)數(shù)種子進(jìn)行區(qū)塊提議者和委員會(huì)成員的選擇。用戶的資產(chǎn)按最小單位被劃分為若干“子用戶”，每個(gè)子用戶被選中的概率為固定的n/s。若某個(gè)子用戶被選中，其所屬用戶成為提議者或委員會(huì)成員。4.3新型共識(shí)算法4.共識(shí)流程區(qū)塊提議階段：區(qū)塊提議者廣播區(qū)塊，各節(jié)點(diǎn)收集提議并丟棄優(yōu)先級(jí)較低的區(qū)塊。區(qū)塊Reduction階段：各節(jié)點(diǎn)可能收到不同優(yōu)先級(jí)的區(qū)塊，需達(dá)成對(duì)優(yōu)先級(jí)最高區(qū)塊的共識(shí)。BinaryBA*階段：在收斂的區(qū)塊上進(jìn)行多輪投票，直至系統(tǒng)達(dá)成共識(shí)。5.安全性與可擴(kuò)展性抵抗女巫攻擊：通過(guò)基于用戶資產(chǎn)權(quán)重的抽簽機(jī)制，防止攻擊者通過(guò)偽造身份增加被選中概率?？蓴U(kuò)展性：通過(guò)抽簽選取少量節(jié)點(diǎn)組成委員會(huì)進(jìn)行投票，有效減少計(jì)算負(fù)擔(dān)，支持區(qū)塊鏈擴(kuò)展至大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。總結(jié)來(lái)說(shuō)，Algorand共識(shí)算法通過(guò)高效的隨機(jī)選取和快速拜占庭協(xié)議，保證了系統(tǒng)的去中心化、安全性和可擴(kuò)展性，適用于大規(guī)模區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

運(yùn)行BinaryBA*，就唯一區(qū)塊達(dá)成共識(shí)，記為hblock1等待一段時(shí)間，以接收區(qū)塊

區(qū)塊提議者選擇優(yōu)先級(jí)最高的子用戶來(lái)廣播區(qū)塊和消息π區(qū)塊Reduction，將目標(biāo)區(qū)收斂至hblock2或空塊

根據(jù)第r-1輪消息，確認(rèn)第r輪種子seedr

通過(guò)VRF確定第r輪的區(qū)塊提議者集合

統(tǒng)計(jì)final狀態(tài)的投票信息，達(dá)成最終共識(shí)

Algorand共識(shí)算法的流程4.3新型共識(shí)算法HotStuff共識(shí)算法HotStuff共識(shí)算法是為了解決PBFT共識(shí)算法在處理視圖變更時(shí)的復(fù)雜性問(wèn)題，同時(shí)提升聯(lián)盟鏈的性能表現(xiàn)，如交易吞吐量和網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。它通過(guò)簡(jiǎn)化視圖變更流程和提高并行度，適用于高效的區(qū)塊鏈共識(shí)。1.HotStuff的核心特性線性視圖變更：HotStuff將視圖變更（視圖是共識(shí)過(guò)程的階段）融入常規(guī)的共識(shí)流程，減少了復(fù)雜性。相比PBFT共識(shí)算法的非線性視圖變更，HotStuff具備了線性視圖變更（LinearViewChange），從而降低了處理視圖變更的復(fù)雜度。時(shí)間復(fù)雜度降低：HotStuff將PBFT共識(shí)算法的時(shí)間復(fù)雜度由$O(n^2)$降低到了$O(n)$，主要通過(guò)減少?gòu)墓?jié)點(diǎn)之間的消息廣播，使得消息只在主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間傳遞。2.基本共識(shí)流程（BasicHotStuff）HotStuff的基本共識(shí)過(guò)程可以簡(jiǎn)化為圍繞主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的三輪投票：主節(jié)點(diǎn)職責(zé)：每個(gè)視圖都有一個(gè)唯一的主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)打包區(qū)塊、收集和轉(zhuǎn)發(fā)消息，并生成共識(shí)證書（QuorumCertificate,QC）。QC是主節(jié)點(diǎn)收集到$n-f$條從節(jié)點(diǎn)投票后生成的數(shù)據(jù)集合，包含共識(shí)階段、視圖編號(hào)、交易請(qǐng)求等信息。從節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化消息傳遞：從節(jié)點(diǎn)不再相互廣播消息，所有共識(shí)消息由主節(jié)點(diǎn)處理和轉(zhuǎn)發(fā)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，但提高了主節(jié)點(diǎn)的處理負(fù)擔(dān)。3.HotStuff的五階段流程HotStuff共識(shí)流程分為五個(gè)階段：準(zhǔn)備階段（Prepare）：從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送new-view消息，主節(jié)點(diǎn)再向從節(jié)點(diǎn)廣播共識(shí)消息。4.3新型共識(shí)算法5.性能與優(yōu)化提升了系統(tǒng)活性：HotStuff延續(xù)了PBFT的三階段共識(shí)，但增加了兩個(gè)額外階段來(lái)提高系統(tǒng)的整體活性。負(fù)擔(dān)集中于主節(jié)點(diǎn)：雖然減少了從節(jié)點(diǎn)的消息傳遞負(fù)擔(dān)，但這增加了主節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和通信需求，對(duì)其性能提出了更高要求?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，HotStuff通過(guò)簡(jiǎn)化視圖變更、減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和提高并行度，實(shí)現(xiàn)了更高效的區(qū)塊鏈共識(shí)流程，適用于需要大規(guī)模、低延遲共識(shí)的場(chǎng)景。HotStuff共識(shí)流程

2.預(yù)提交階段（Pre-commit）：主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，從節(jié)點(diǎn)返回確認(rèn)消息。3.提交階段（Commit）：主節(jié)點(diǎn)收集到足夠多的確認(rèn)消息后，進(jìn)入下一個(gè)階段。4.決定階段（Decide）：主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送最終共識(shí)消息，節(jié)點(diǎn)執(zhí)行共識(shí)。5.最終階段（Final）：從節(jié)點(diǎn)將執(zhí)行結(jié)果返回給客戶端，完成共識(shí)流程。每個(gè)階段的操作非常相似，都是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起消息，等待從節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)響應(yīng)。4.ChainedHotStuff為了進(jìn)一步提高并行度，HotStuff提出了ChainedHotStuff，將多個(gè)共識(shí)流程串聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)并行共識(shí)。這解決了BasicHotStuff中每個(gè)階段獨(dú)立進(jìn)行的局限性，使得多個(gè)共識(shí)過(guò)程可以重疊進(jìn)行，提升系統(tǒng)效率。4.4

跨鏈共識(shí)1.Cosmos的Tendermint

原理：基于BFT共識(shí)，結(jié)合區(qū)塊鏈間的互操作協(xié)議（IBC）。創(chuàng)新點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)跨鏈通信和資產(chǎn)轉(zhuǎn)移。應(yīng)用前景：構(gòu)建多鏈生態(tài)系統(tǒng)。2.Polkadot的RelayChain

原理：中心中繼鏈（RelayChain）與多個(gè)平行鏈（Parachain）協(xié)同工作，確保不同鏈間的共識(shí)和通信。創(chuàng)新點(diǎn)：高安全性、高擴(kuò)展性。應(yīng)用前景：支持不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的互操作性。4.5公有鏈共識(shí)算法PoW共識(shí)算法PoW（ProofofWork，工作量證明）共識(shí)算法是一種應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中可能存在的惡意節(jié)點(diǎn)（拜占庭節(jié)點(diǎn)）的機(jī)制。PoW共識(shí)算法的核心是哈希算法（見(jiàn)2.5節(jié)），能夠?qū)⑷魏伍L(zhǎng)度的輸入，通過(guò)哈希函數(shù)轉(zhuǎn)化為固定長(zhǎng)度的輸出，記作y=Hx()，其中H()被稱為哈希函數(shù)，通常情況下將素?cái)?shù)的模運(yùn)算作為哈希函數(shù)，如Hx()=xmod11等。由哈希函數(shù)的定義可知，其具有正向計(jì)算快速簡(jiǎn)單，卻很難做到逆向計(jì)算的特點(diǎn)，大多數(shù)情況下，不同的x會(huì)計(jì)算得到不同的y值，否則將發(fā)生哈希沖突。哈希沖突不是本書討論的重點(diǎn)內(nèi)容，感興趣的讀者可以在課后深入了解哈希算法的相關(guān)內(nèi)容，以及如何處理哈希沖突的情況。在解數(shù)學(xué)難題的過(guò)程中，礦工需要先收集一組交易，并打包成一個(gè)區(qū)塊得到區(qū)塊數(shù)據(jù)data。然后礦工會(huì)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)nonce，并將這個(gè)隨機(jī)數(shù)與區(qū)塊數(shù)據(jù)data和上一個(gè)區(qū)塊的哈希值hprevious進(jìn)行哈希運(yùn)算，得到當(dāng)前區(qū)塊的哈希值hcurrent，即

hcurrent=H(data,nonce,hprevious)如果hcurrent≥htarget，那么礦工需要重新生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)nonce，重新進(jìn)行哈希運(yùn)算，直到hcurrent<htarget為止，那么隨機(jī)數(shù)nonce就是數(shù)學(xué)難題的解。由此可見(jiàn)，htarget越小，數(shù)學(xué)難題的難度就越大，節(jié)點(diǎn)的求解過(guò)程越困難，需要調(diào)用的算力也就越多。因此，調(diào)整數(shù)學(xué)難題的難度可以通過(guò)控制區(qū)塊生成的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.5公有鏈共識(shí)算法區(qū)塊結(jié)構(gòu)分叉情況當(dāng)?shù)V工得到數(shù)學(xué)難題的解后，會(huì)將hcurrent、nonce和hprevious打包添加到當(dāng)前區(qū)塊的區(qū)塊頭中，并向網(wǎng)絡(luò)中廣播，讓其他網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。一旦驗(yàn)證得到通過(guò)，解題區(qū)塊就可以得到相應(yīng)的比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。

在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，最先得到難題的解并通過(guò)驗(yàn)證的區(qū)塊將被加入網(wǎng)絡(luò)，完成上鏈。但由于實(shí)際中存在網(wǎng)絡(luò)延遲等問(wèn)題，可能部分節(jié)點(diǎn)在收到最新區(qū)塊消息前也完成了求解，于是可能出現(xiàn)兩個(gè)甚至更多區(qū)塊同時(shí)上鏈的情況，這便是PoW共識(shí)算法的分叉（Fork）4.5

公有鏈共識(shí)算法PoS共識(shí)算法PoS（ProofofStake，權(quán)益證明）共識(shí)算法是一種旨在減少資源消耗并提高效率的區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制。以下是PoS共識(shí)算法的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)：算法理念：PoS從股份概念中得到啟發(fā)，認(rèn)為持有貨幣的節(jié)點(diǎn)應(yīng)有更多影響力。節(jié)點(diǎn)角色：擁有虛擬貨幣的節(jié)點(diǎn)可以將其轉(zhuǎn)化為股份參與共識(shí)，這些節(jié)點(diǎn)被稱為驗(yàn)證者（Validator）。幣齡概念：幣齡（Coinage）描述了節(jié)點(diǎn)持有貨幣作為股份的時(shí)間，與貨幣作為股份的時(shí)間長(zhǎng)短呈線性關(guān)系。區(qū)塊生成：PoS在生成區(qū)塊時(shí)也需要解決數(shù)學(xué)難題，但解題難度考慮了幣齡的影響，降低了計(jì)算資源消耗。出塊機(jī)制：節(jié)點(diǎn)持有的幣齡越大，越容易生成滿足要求的區(qū)塊，從而節(jié)省了計(jì)算資源。6.公平性：使用過(guò)的幣齡在區(qū)塊生成后會(huì)被廣播到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行驗(yàn)證，并通過(guò)驗(yàn)證后清零。7.能源效率：PoS算法相比PoW大大減少了能源和資源消耗，更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。8.安全性問(wèn)題：PoS存在安全性缺陷，攻擊者可能通過(guò)控制大量幣齡來(lái)低成本地發(fā)起攻擊，這被稱為無(wú)利害關(guān)系攻擊。9.比較PoW：PoW要求節(jié)點(diǎn)控制超過(guò)51%的算力才能發(fā)起攻擊，而在PoS中，攻擊者可能通過(guò)控制大量幣齡來(lái)實(shí)現(xiàn)分叉。PoS共識(shí)算法通過(guò)考慮節(jié)點(diǎn)持有貨幣的量和時(shí)間來(lái)分配記賬權(quán)，有效地減少了能源消耗，但同時(shí)也引入了新的安全挑戰(zhàn)。這種算法在設(shè)計(jì)上試圖平衡效率和安全性，但也需要持續(xù)的改進(jìn)來(lái)應(yīng)對(duì)潛在的攻擊。4.5公有鏈共識(shí)算法DPoS共識(shí)算法節(jié)點(diǎn)角色：節(jié)點(diǎn)分為候選人（Candidate）、投票人（Voter）和見(jiàn)證人（Witness）。共識(shí)過(guò)程：持幣者作為投票人，從候選人中選舉出多個(gè)見(jiàn)證人，這些見(jiàn)證人負(fù)責(zé)區(qū)塊的生成。去中心化與中心化：DPoS具有一定的去中心化特性，但相比PoW和PoS，它保留了更多的中心化特征。礦池與委托：DPoS認(rèn)為在PoW和PoS系統(tǒng)中，用戶趨向于加入礦池或委托第三方，形成中心化傾向。共識(shí)流程：包括選舉見(jiàn)證人、見(jiàn)證人輪流生成區(qū)塊，以及周期性的重新選舉。候選人注冊(cè)：候選人在注冊(cè)時(shí)需要提供個(gè)人信息并支付高額的注冊(cè)費(fèi)用，以確保其認(rèn)真履行責(zé)任。

7.投票機(jī)制：投票人可以對(duì)候選人進(jìn)行投票，支持或反對(duì)他們成為見(jiàn)證人，并根據(jù)表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)分。8.系統(tǒng)效率：DPoS算法能夠提供較高的交易吞吐量，滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。9.中心化風(fēng)險(xiǎn)：盡管DPoS設(shè)計(jì)了權(quán)益分配和權(quán)利制約，但仍然存在中心化風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橐恍┩镀比丝赡懿宦男型镀甭氊?zé)。10.實(shí)際應(yīng)用：DPoS被應(yīng)用于EOS.io、BitShares等區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)高效率和可擴(kuò)展性。DPoS共識(shí)算法通過(guò)委托機(jī)制提高了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的效率和可擴(kuò)展性，但這種算法在一定程度上犧牲了去中心化程度，需要在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到權(quán)益分配和權(quán)利制約，以避免中心化帶來(lái)的潛在問(wèn)題。4.6

聯(lián)盟鏈共識(shí)算法PBFT共識(shí)算法PBFT共識(shí)算法的核心過(guò)程

PBFT共識(shí)算法視圖變更流程1.PBFT共識(shí)算法背景PoW和PoS：常用于公有鏈，具有較高安全性，但吞吐量低，交易確認(rèn)延遲高。聯(lián)盟鏈需求：節(jié)點(diǎn)少，對(duì)吞吐量和交易確定性要求高。適用場(chǎng)景：

不考慮拜占庭錯(cuò)誤：可采用RAFT輕量級(jí)共識(shí)算法。考慮拜占庭錯(cuò)誤：優(yōu)先選擇PBFT共識(shí)算法。2.PBFT共識(shí)算法介紹定義：實(shí)用性拜占庭容錯(cuò)（PracticalByzantineFaultTolerance）算法。提出：由米格爾·卡斯特羅（MiguelCastro）和巴巴拉·利斯科夫（BabaraLiskov）在1999年提出。核心理論：滿足條件N≥3F+1，其中N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)，F(xiàn)為錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)數(shù)量。優(yōu)化：時(shí)間復(fù)雜度降低至O(n2)。3.Quorum機(jī)制來(lái)源：鴿巢原理。作用：確保數(shù)據(jù)冗余存儲(chǔ)情況下的最終一致性，本質(zhì)為一種投票機(jī)制。投票機(jī)制：讀取操作需要的票數(shù)：qr。寫入操作需要的票數(shù)：qw。需滿足條件：qr+qw>n和qw>n/2。4.6

聯(lián)盟鏈共識(shí)算法PBFT共識(shí)算法4.核心過(guò)程PBFT的共識(shí)過(guò)程分為三個(gè)階段：預(yù)備階段（Pre-prepare）：主節(jié)點(diǎn)廣播預(yù)備消息，其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證合法性。準(zhǔn)備階段（Prepare）：從節(jié)點(diǎn)廣播準(zhǔn)備消息，收集足夠的準(zhǔn)備消息（2f+1條）進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。提交階段（Commit）：收集足夠的提交消息（2f+1條），進(jìn)入提交狀態(tài)并執(zhí)行操作。執(zhí)行結(jié)果反饋給客戶端。5.垃圾回收機(jī)制檢查點(diǎn)流程：用于定期清理冗余的共識(shí)數(shù)據(jù)。每K次請(qǐng)求后執(zhí)行一次檢查點(diǎn)。高低水位機(jī)制：通過(guò)設(shè)定高水位（H）和低水位（h）限制系統(tǒng)緩存的數(shù)據(jù)量。6.視圖變更機(jī)制觸發(fā)條件：主節(jié)點(diǎn)失效或被認(rèn)為存在問(wèn)題時(shí)觸發(fā)。視圖編號(hào)更新：視圖變更時(shí)，編號(hào)v+1，主節(jié)點(diǎn)切換到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。變更過(guò)程：節(jié)點(diǎn)廣播view-change消息，附帶舊視圖共識(shí)日志。新主節(jié)點(diǎn)匯總view-change-ack消息，確認(rèn)非拜占庭節(jié)點(diǎn)發(fā)出的變更請(qǐng)求，生成new-view消息，恢復(fù)必要的共識(shí)數(shù)據(jù)。7.PBFT共識(shí)算法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：抵抗拜占庭行為，保證高交易吞吐量。無(wú)分叉現(xiàn)象。缺點(diǎn)：通信復(fù)雜度高，達(dá)到O(n2)。無(wú)法防御女巫攻擊，需額外模塊輔助處理身份偽造問(wèn)題。8.應(yīng)用場(chǎng)景PBFT廣泛應(yīng)用于聯(lián)盟鏈、分布式系統(tǒng)中，特別是對(duì)交易吞吐量和確定性要求較高的場(chǎng)景。

5.共識(shí)算法的未來(lái)發(fā)展5.Futuredevelopmentofconsensusalgorithms055.1挑戰(zhàn)與機(jī)遇：1.算力要求日益增長(zhǎng)隨著區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，共識(shí)算法對(duì)算力的要求越來(lái)越高，這增加了參與門檻和能源消耗。2.安全威脅日益嚴(yán)重近年來(lái)，針對(duì)共識(shí)算法的攻擊事件頻發(fā)，51%算力攻擊和雙重支付問(wèn)題嚴(yán)重威脅了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.去中心化與技術(shù)效率的平衡在去中心化追求與技術(shù)效率提升之間尋找平衡，成為共識(shí)算法發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。4.跨鏈共識(shí)技術(shù)興起隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的廣泛應(yīng)用，跨鏈共識(shí)技術(shù)成為連接不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)價(jià)值互通的重要機(jī)遇。5.2共識(shí)算法的安全性1.51%攻擊

-定義：攻擊者控制了全網(wǎng)超過(guò)50%的計(jì)算能力或權(quán)益，能夠篡改交易記錄。

-防御機(jī)制：提高攻擊成本、采用混合共識(shí)機(jī)制。2.女巫攻擊（SybilAttack）

-定義：攻擊者創(chuàng)建多個(gè)虛假身份以控制網(wǎng)絡(luò)。

-防御機(jī)制：采用權(quán)益證明、引入身份驗(yàn)證機(jī)制。3.拜占庭容錯(cuò)問(wèn)題（ByzantineFaultTolerance,BFT）

-定義：系統(tǒng)能在部分節(jié)點(diǎn)惡意或故障的情況下正常運(yùn)行。

-例子：PBFT、Tendermint。5.3共識(shí)算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)1.博弈論

-定義：研究在不同參與者間決策的相互影響。

-應(yīng)用：分析礦工在PoW中的策略選擇、權(quán)益持有者在PoS中的投票行為。2.概率論

-定義：研究隨機(jī)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論。

-應(yīng)用：評(píng)估共識(shí)算法中的隨機(jī)選舉機(jī)制（如Algorand中的VRF）。3.分布式系統(tǒng)理論

-定義：研究多個(gè)計(jì)算單元如何協(xié)同工作。

-應(yīng)用：設(shè)計(jì)和分析共識(shí)算法的容錯(cuò)機(jī)制、性能優(yōu)化。工作證明（ProofofWork,PoW）：在PoW中，節(jié)點(diǎn)通過(guò)解決復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題來(lái)驗(yàn)證交易并添加新區(qū)塊。比特幣是一個(gè)使用PoW的典型例子。權(quán)益證明（ProofofStake,PoS）：在PoS機(jī)制中，驗(yàn)證者的選擇基于其持有的代幣數(shù)量和持有時(shí)間。以太坊等網(wǎng)絡(luò)使用PoS共識(shí)。權(quán)威證明（ProofofAuthority,PoA）：PoA要求參與者以其身份和聲譽(yù)作為抵押，適用于私有鏈場(chǎng)景，如供應(yīng)鏈管理。覆蓋證明（ProofofCoverage,PoC）：PoC用于驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)確實(shí)提供了它們聲稱的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。例如，Helium網(wǎng)絡(luò)使用PoC?；顒?dòng)證明（ProofofActivity,PoA）：PoA結(jié)合了PoW和PoS的特點(diǎn)，例如，Decred網(wǎng)絡(luò)就采用這種機(jī)制。身份證明（ProofofIdentity,PoI）：PoI通過(guò)比對(duì)用戶私鑰和授權(quán)身份來(lái)驗(yàn)證參與者的身份。思考題Reflectionquestions0601030204共識(shí)算法如PoW、PoS等各具特色，滿足不同區(qū)塊鏈項(xiàng)目需求，展現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新的多樣性。研究顯示，采用成熟共識(shí)算法的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，如采用PoW的Bitcoin，在安全性方面表現(xiàn)優(yōu)異，成功抵御了多次攻擊。與早期PoW相比，PoS等新型共識(shí)算法在能源效率上有所提升，顯著降低了區(qū)塊生成成本，促進(jìn)了區(qū)塊鏈技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。共識(shí)算法如BFT、PBFT等通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的相互驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的高度去中心化，增強(qiáng)了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的魯棒性。共識(shí)算法多樣性共識(shí)算法安全性共識(shí)算法效率共識(shí)算法去中心化1、

什么是分布式系統(tǒng)中的共識(shí)問(wèn)題？共識(shí)正確性需要滿足哪些特征？共識(shí)通信模型分類假設(shè)區(qū)別不選異步模型的原因共識(shí)通信模型主要包括同步模型、部分同步模型和異步模型，基于網(wǎng)絡(luò)通信的不同假設(shè)。同步模型假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間步內(nèi)完成通信，部分同步模型允許延遲但存在全局穩(wěn)定時(shí)間，異步模型則無(wú)時(shí)間限制，導(dǎo)致共識(shí)難度增加。不基于異步模型研究共識(shí)問(wèn)題，因異步網(wǎng)絡(luò)下的不確定性使達(dá)成共識(shí)的算法設(shè)計(jì)和分析變得極為復(fù)雜且難以保證安全性。2、共識(shí)的通信模型有哪幾類？其中的假設(shè)區(qū)別是什么？為什么不基于異步模型研究共識(shí)問(wèn)題？拜占庭將軍問(wèn)題定義了分布式系統(tǒng)中可能遇到的節(jié)點(diǎn)故障模式，強(qiáng)調(diào)了在容錯(cuò)性設(shè)計(jì)中需考慮節(jié)點(diǎn)間信息不一致的復(fù)雜性。拜占庭問(wèn)題定義了容錯(cuò)在分布式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)共識(shí)算法時(shí)，需解決拜占庭將軍問(wèn)題，確保即使在節(jié)點(diǎn)故障或惡意行為下，系統(tǒng)也能達(dá)成一致決策。對(duì)共識(shí)算法有重要影響3、什么是拜占庭將軍問(wèn)題？為什么此問(wèn)題在分布式系統(tǒng)的研究中非常重要？4、

FLP不可能定理具體是指什么？其對(duì)共識(shí)算法的研究產(chǎn)生了什么影響？1.FLP定理定義共識(shí)局限FLP不可能定理指出，在異步系統(tǒng)中，即使網(wǎng)絡(luò)是可靠的，也不存在一個(gè)能解決一致性問(wèn)題的算法。它揭示了共識(shí)算法的固有局限。2.推動(dòng)算法創(chuàng)新研究FLP定理激發(fā)了共識(shí)算法領(lǐng)域的創(chuàng)新，推動(dòng)了如Paxos、Raft等實(shí)用性更強(qiáng)的分布式一致性算法的出現(xiàn)，這些算法在特定條件下實(shí)現(xiàn)了共識(shí)。3.促進(jìn)容錯(cuò)性考量FLP定理促使研究者更加關(guān)注共識(shí)算法的容錯(cuò)性，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)分區(qū)和節(jié)點(diǎn)故障是常態(tài)，需要算法能夠在這些情況下保持一致性。5、試比較CAP理論和FLP不可能定理的區(qū)別和聯(lián)系。1.CAP理論與FLP定理的差異性CAP理論關(guān)注分布式系統(tǒng)中一致性、可用性和分區(qū)容忍性的權(quán)衡，而FLP定理則強(qiáng)調(diào)在異步系統(tǒng)中，即使無(wú)故障，也可能無(wú)法就某個(gè)值達(dá)成決策。2.CAP與FLP定理的內(nèi)在聯(lián)系盡管CAP理論和FLP不可能定理聚焦不同，但二者均強(qiáng)調(diào)了分布式系統(tǒng)中的固有挑戰(zhàn)，即網(wǎng)絡(luò)通信的不確定性和系統(tǒng)組件的潛在故障對(duì)決策一致性的影響。6、Paxos和RAFT是針對(duì)于拜占庭將軍問(wèn)題模型的嗎？如果不是，請(qǐng)說(shuō)明其模型弱化了哪些拜占庭將軍問(wèn)題中的假設(shè)。1.Paxos和RAFT非針對(duì)拜占庭Paxos和RAFT共識(shí)算法并非直接針對(duì)拜占庭將軍問(wèn)題設(shè)計(jì)，它們基于更簡(jiǎn)單的故障模型，假設(shè)節(jié)點(diǎn)故障是崩潰-停止型，而非拜占庭型。2.弱化節(jié)點(diǎn)行為假設(shè)拜占庭將軍問(wèn)題假設(shè)節(jié)點(diǎn)可能發(fā)送任意信息，而Paxos和RAFT僅假設(shè)節(jié)點(diǎn)可能失效不響應(yīng)或提供舊信息，不涵蓋任意欺詐行為。3.強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)可靠性Paxos和R