区块链共识机制经典论文

『壹』 区块链共识算法——（四）PoA共识（Proof of Activity）

PoA共识（Proof of Activity）也称为活动证明，其结合了PoW工作量证明与PoS权益证明的特点并进行了相应扩展，PoA共识具有更为复杂的记账节点选取，同时有更为公平的奖励机制。

PoA活动证明，主要的优势是利用公平的激励措施保证节点保持在线状态，调动节点积极性，线上矿工即使不挖矿也有一定的概率获取收益。大大提高了全网维护质量。

step1：每个矿工先利用自身算力通过工作量证明机制后得出nonce并生成一个空区块头，这个区块头除了没有交易信息数据外其他数据与正常区块一致。

step2：最先生成空区块的节点广播全网节点，全网节点接收到消息后，将此区块的hash值与上一区块的hash值进行拼接，然后加上n个固定后缀值进行再hash，最后得出n个值作为输入，进入follow-the-satoshi程序，然后可输出n个随机权益持有者。

step3：前n-1个随机权益持有者对空区块进行签名，第n个随机权益持有者即为获取到记账权的节点，他将在空区块的基础上添加交易数据与签名。

step4：第n个随机权益持有者将打包好的区块广播全网，全网节点接收到区块后进行验证，验证成功后上链。

step5：产生空区块的矿工与第n个随机权益持有者以及前n-1个已签名的随机权益持有者共享交易费奖励。

『贰』 区块链的共识机制是什么

如何让去中心化网络达成共识？
在区块链系统当中，没有一个像银行一样的中心化记账机构，保证每一笔交易在所有记账节点上的一致性，即让全网达成共识至关重要。共识机制解决的就是这个问题。
目前主要的共识机制有工作量证明机制PoW和权益证明机制PoS。
PoW通过评估你的工作量来决定你获得记账权的机率，工作量越大，就越有可能获得此次记账机会。
PoS通过评估你持有代币的数量和时长来决定你获得记账权的机率。这就类似于股票的分红制度，持有股权相对多的人能够获得更多的分红。
DPOS与POS原理相似，只是选了一些“人大代表”。 与PoS的主要区别在于节点选举若干代理人，由代理人验证和记账。
随着技术的发展，未来可能还会诞生更先进的共识机制。

『叁』 区块链的共识机制

1. 网络上的交易信息如何确认并达成共识？ 

虽然经常提到共识机制，但是对于共识机制的含义和理解却并清楚。因此需要就共识机制的相关概念原理和实现方法有所理解。 

区块链的交易信息是通过网络广播传输到网络中各个节点的，在整个网络节点中如何对广播的信息进行确认并达成共识 最终写入区块呢？  如果没有相应的可靠安全的实现机制，那么就难以实现其基本的功能，因此共识机制是整个网络运行下去的一个关键。

共识机制解决了区块链如何在分布式场景下达成一致性的问题。区块链能在众多节点达到一种较为平衡的状态也是因为共识机制。那么共识机制是如何在在去中心化的思想上解决了节点间互相信任的问题呢？ 

当分布式的思想被提出来时，人们就开始根据FLP定理和CAP定理设计共识算法。 规范的说，理想的分布式系统的一致性应该满足以下三点：

1.可终止性（Termination）：一致性的结果可在有限时间内完成。

2.共识性(Consensus)：不同节点最终完成决策的结果应该相同。

3.合法性(Validity)：决策的结果必须是其他进程提出的提案。

但是在实际的计算机集群中，可能会存在以下问题:

1.节点处理事务的能力不同，网络节点数据的吞吐量有差异

2.节点间通讯的信道可能不安全

3.可能会有作恶节点出现

4.当异步处理能力达到高度一致时，系统的可扩展性就会变差（容不下新节点的加入）。

科学家认为，在分布式场景下达成 完全一致性 是不可能的。但是工程学家可以牺牲一部分代价来换取分布式场景的一致性，上述的两大定理也是这种思想，所以基于区块链设计的各种公式机制都可以看作牺牲那一部分代价来换取多适合的一致性，我的想法是可以在这种思想上进行一个灵活的变换，即在适当的时间空间牺牲一部分代价换取适应于当时场景的一致性，可以实现灵活的区块链系统，即可插拔式的区块链系统。今天就介绍一下我对各种共识机制的看法和分析，分布式系统中有无作恶节点分为拜占庭容错和非拜占庭容错机制。

FLP定理即FLP不可能性，它证明了在分布式情景下，无论任何算法，即使是只有一个进程挂掉，对于其他非失败进程，都存在着无法达成一致的可能。

FLP基于如下几点假设：

仅可修改一次 ：  每个进程初始时都记录一个值（0或1）。进程可以接收消息、改动该值、并发送消息，当进程进入decide state时，其值就不再变化。所有非失败进程都进入decided state时，协议成功结束。这里放宽到有一部分进程进入decided state就算协议成功。

异步通信 ：  与同步通信的最大区别是没有时钟、不能时间同步、不能使用超时、不能探测失败、消息可任意延迟、消息可乱序。

通信健壮： 只要进程非失败，消息虽会被无限延迟，但最终会被送达；并且消息仅会被送达一次（无重复）。

Fail-Stop 模型： 进程失败如同宕机，不再处理任何消息。

失败进程数量 ： 最多一个进程失败。

CAP是分布式系统、特别是分布式存储领域中被讨论最多的理论。CAP由Eric Brewer在2000年PODC会议上提出，是Eric Brewer在Inktomi期间研发搜索引擎、分布式web缓存时得出的关于数据一致性(consistency)、服务可用性(availability)、分区容错性(partition-tolerance)的猜想：

数据一致性 (consistency)：如果系统对一个写操作返回成功，那么之后的读请求都必须读到这个新数据；如果返回失败，那么所有读操作都不能读到这个数据，对调用者而言数据具有强一致性(strong consistency) (又叫原子性 atomic、线性一致性 linearizable consistency)[5]

服务可用性 (availability)：所有读写请求在一定时间内得到响应，可终止、不会一直等待

分区容错性 (partition-tolerance)：在网络分区的情况下，被分隔的节点仍能正常对外服务

在某时刻如果满足AP，分隔的节点同时对外服务但不能相互通信，将导致状态不一致，即不能满足C；如果满足CP，网络分区的情况下为达成C，请求只能一直等待，即不满足A；如果要满足CA，在一定时间内要达到节点状态一致，要求不能出现网络分区，则不能满足P。

C、A、P三者最多只能满足其中两个，和FLP定理一样，CAP定理也指示了一个不可达的结果(impossibility result)。

『肆』 区块链的共识机制

所谓“共识机制”，是通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；对一笔交易，如果利益不相干的若干个节点能够达成共识，我们就可以认为全网对此也能够达成共识。北京木奇移动技术有限公司，专业的区块链外包开发公司，欢迎洽谈合作。下面我们将一下区块链的几种共识机制，希望对大家了解区块链基础技术有帮助。

因为区块链技术的发展， 大家对共识机制这个词也不再陌生，随着技术发展，各种创新的共识机制也在发展。

POW工作量证明

比特币就是使用PoW工作量证明机制，到后来的以太坊都是PoW的共识机制。Pow相当于算出很难的数学难题，就是计算出新区块的hash值，而且计算的难度会每一段时间就会调整。PoW虽然是大家比较认可的共识机制,计算会消耗大量的能源,还有可能会污染环境。

POS权益证明

通过持有Token的数量和时长来决定获得记账权的机率。相比POW，POS避免了挖矿造成大量的资源浪费，缩短了各个节点之间达成共识的时间，网络环境好的话可实现毫秒级，对节点性能要求低。

但POS的缺点同样明显，持有Token多的节点更有机会获得记账权，这将导致“马太效应”，富者越富，破坏了区块链的去中心化。

DPOS权益证明

DPOS委托权益证明与POS原理相同，其主要区别在于，DPOS的Token持有者可以投票选举代理人作为超级节点，负责在网络上生产区块并维护共识规则。如果这些节点未能履行职责，将投票选出新的节点。同样的弊端也是倾向于中心化。

POA权威证明

POA节点之间无需进行通信即可达成共识，因此效率极高。并且它也能很好地对抗算力攻击，安全性较高。但是POA需要一个集中的权威节点来验证身份，这就意味着它会损害区块链的去中心化，这也是在去中心化和提高效率之间的妥协。

『伍』 区块链的共识机制

一、区块链共识机制的目标

区块链是什么？简单而言，区块链是一种去中心化的数据库，或可以叫作分布式账本(distributed ledger)。传统上所有的数据库都是中心化的，例如一间银行的账本就储存在银行的中心服务器里。中心化数据库的弊端是数据的安全及正确性全系于数据库运营方（即银行），因为任何能够访问中心化数据库的人（如银行职员或黑客）都可以破坏或修改其中的数据。

而区块链技术则容许数据库存放在全球成千上万的电脑上，每个人的账本通过点对点网络进行同步，网络中任何用户一旦增加一笔交易，交易信息将通过网络通知其他用户验证，记录到各自的账本中。区块链之所以得其名是因为它是由一个个包含交易信息的区块（block）从后向前有序链接起来的数据结构。

很多人对区块链的疑问是，如果每一个用户都拥有一个独立的账本，那么是否意味着可以在自己的账本上添加任意的交易信息，而成千上万个账本又如何保证记账的一致性？ 解决记账一致性问题正是区块链共识机制的目标 。区块链共识机制旨在保证分布式系统里所有节点中的数据完全相同并且能够对某个提案（proposal）（例如是一项交易纪录）达成一致。然而分布式系统由于引入了多个节点，所以系统中会出现各种非常复杂的情况；随着节点数量的增加，节点失效或故障、节点之间的网络通信受到干扰甚至阻断等就变成了常见的问题，解决分布式系统中的各种边界条件和意外情况也增加了解决分布式一致性问题的难度。

区块链又可分为三种：

公有链：全世界任何人都可以随时进入系统中读取数据、发送可确认交易、竞争记账的区块链。公有链通常被认为是“完全去中心化“的，因为没有任何人或机构可以控制或篡改其中数据的读写。公有链一般会通过代币机制鼓励参与者竞争记账，来确保数据的安全性。

联盟链：联盟链是指有若干个机构共同参与管理的区块链。每个机构都运行着一个或多个节点，其中的数据只允许系统内不同的机构进行读写和发送交易，并且共同来记录交易数据。这类区块链被认为是“部分去中心化”。

私有链：指其写入权限是由某个组织和机构控制的区块链。参与节点的资格会被严格的限制，由于参与的节点是有限和可控的，因此私有链往往可以有极快的交易速度、更好的隐私保护、更低的交易成本、不容易被恶意攻击、并且能够做到身份认证等金融行业必须的要求。相比中心化数据库，私有链能够防止机构内单节点故意隐瞒或篡改数据。即使发生错误，也能够迅速发现来源，因此许多大型金融机构在目前更加倾向于使用私有链技术。

二、区块链共识机制的分类

解决分布式一致性问题的难度催生了数种共识机制，它们各有其优缺点，亦适用于不同的环境及问题。被众人常识的共识机制有：

l PoW（Proof of Work）工作量证明机制

l PoS（Proof of Stake）股权/权益证明机制

l DPoS（Delegated Proof of Stake）股份授权证明机制

l PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）实用拜占庭容错算法

l DBFT（Delegated Byzantine Fault Tolerance）授权拜占庭容错算法

l SCP (Stellar Consensus Protocol ) 恒星共识协议

l RPCA（Ripple Protocol Consensus Algorithm）Ripple共识算法

l Pool验证池共识机制

（一）PoW（Proof of Work）工作量证明机制

1. 基本介绍

在该机制中，网络上的每一个节点都在使用SHA256哈希函数(hash function) 运算一个不断变化的区块头的哈希值 (hash sum)。 共识要求算出的值必须等于或小于某个给定的值。 在分布式网络中，所有的参与者都需要使用不同的随机数来持续计算该哈希值，直至达到目标为止。当一个节点的算出确切的值，其他所有的节点必须相互确认该值的正确性。之后新区块中的交易将被验证以防欺诈。

在比特币中，以上运算哈希值的节点被称作“矿工”，而PoW的过程被称为“挖矿”。挖矿是一个耗时的过程，所以也提出了相应的激励机制（例如向矿工授予一小部分比特币）。PoW的优点是完全的去中心化，其缺点是消耗大量算力造成了的资源浪费，达成共识的周期也比较长，共识效率低下，因此其不是很适合商业使用。

2. 加密货币的应用实例

比特币(Bitcoin) 及莱特币(Litecoin)。以太坊(Ethereum) 的前三个阶段（Frontier前沿、Homestead家园、Metropolis大都会）皆采用PoW机制，其第四个阶段 (Serenity宁静) 将采用权益证明机制。PoW适用于公有链。

PoW机制虽然已经成功证明了其长期稳定和相对公平，但在现有框架下，采用PoW的“挖矿”形式，将消耗大量的能源。其消耗的能源只是不停的去做SHA256的运算来保证工作量公平，并没有其他的存在意义。而目前BTC所能达到的交易效率为约5TPS（5笔/秒），以太坊目前受到单区块GAS总额的上限，所能达到的交易频率大约是25TPS，与平均千次每秒、峰值能达到万次每秒处理效率的VISA和MASTERCARD相差甚远。

3. 简图理解模式

（ps：其中A、B、C、D计算哈希值的过程即为“挖矿”，为了犒劳时间成本的付出，机制会以一定数量的比特币作为激励。）

（Ps：PoS模式下，你的“挖矿”收益正比于你的币龄(币的数量*天数)，而与电脑的计算性能无关。我们可以认为任何具有概率性事件的累计都是工作量证明，如淘金。假设矿石含金量为p% 质量, 当你得到一定量黄金时，我们可以认为你一定挖掘了1/p 质量的矿石。而且得到的黄金数量越多，这个证明越可靠。）

（二）PoS（Proof of Stake）股权/权益证明机制

1.基本介绍

PoS要求人们证明货币数量的所有权，其相信拥有货币数量多的人攻击网络的可能性低。基于账户余额的选择是非常不公平的，因为单一最富有的人势必在网络中占主导地位，所以提出了许多解决方案。

在股权证明机制中，每当创建一个区块时，矿工需要创建一个称为“币权”的交易，这个交易会按照一定比例预先将一些币发给矿工。然后股权证明机制根据每个节点持有代币的比例和时间（币龄）， 依据算法等比例地降低节点的挖矿难度，以加快节点寻找随机数的速度，缩短达成共识所需的时间。

与PoW相比，PoS可以节省更多的能源，更有效率。但是由于挖矿成本接近于0，因此可能会遭受攻击。且PoS在本质上仍然需要网络中的节点进行挖矿运算，所以它同样难以应用于商业领域。

2.数字货币的应用实例

PoS机制下较为成熟的数字货币是点点币（Peercoin）和未来币（NXT），相比于PoW，PoS机制节省了能源，引入了" 币天 "这个概念来参与随机运算。PoS机制能够让更多的持币人参与到记账这个工作中去，而不需要额外购买设备（矿机、显卡等）。每个单位代币的运算能力与其持有的时间长成正相关，即持有人持有的代币数量越多、时间越长，其所能签署、生产下一个区块的概率越大。一旦其签署了下一个区块，持币人持有的币天即清零，重新进入新的循环。

PoS适用于公有链。

3.区块签署人的产生方式

在PoS机制下，因为区块的签署人由随机产生，则一些持币人会长期、大额持有代币以获得更大概率地产生区块，尽可能多的去清零他的"币天"。因此整个网络中的流通代币会减少，从而不利于代币在链上的流通，价格也更容易受到波动。由于可能会存在少量大户持有整个网络中大多数代币的情况，整个网络有可能会随着运行时间的增长而越来越趋向于中心化。相对于PoW而言，PoS机制下作恶的成本很低，因此对于分叉或是双重支付的攻击，需要更多的机制来保证共识。稳定情况下，每秒大约能产生12笔交易，但因为网络延迟及共识问题，需要约60秒才能完整广播共识区块。长期来看，生成区块（即清零"币天"）的速度远低于网络传播和广播的速度，因此在PoS机制下需要对生成区块进行"限速"，来保证主网的稳定运行。

4.简图理解模式

（PS：拥有越多“股份”权益的人越容易获取账权。是指获得多少货币，取决于你挖矿贡献的工作量，电脑性能越好，分给你的矿就会越多。）

（在纯POS体系中，如NXT，没有挖矿过程，初始的股权分配已经固定，之后只是股权在交易者之中流转，非常类似于现实世界的股票。）

（三）DPoS（Delegated Proof of Stake）股份授权证明机制

1.基本介绍

由于PoS的种种弊端，由此比特股首创的权益代表证明机制 DPoS（Delegated Proof of Stake）应运而生。DPoS 机制中的核心的要素是选举，每个系统原生代币的持有者在区块链里面都可以参与选举，所持有的代币余额即为投票权重。通过投票，股东可以选举出理事会成员，也可以就关系平台发展方向的议题表明态度，这一切构成了社区自治的基础。股东除了自己投票参与选举外，还可以通过将自己的选举票数授权给自己信任的其它账户来代表自己投票。

具体来说， DPoS由比特股（Bitshares）项目组发明。股权拥有着选举他们的代表来进行区块的生成和验证。DPoS类似于现代企业董事会制度，比特股系统将代币持有者称为股东，由股东投票选出101名代表， 然后由这些代表负责生成和验证区块。 持币者若想称为一名代表，需先用自己的公钥去区块链注册，获得一个长度为32位的特有身份标识符，股东可以对这个标识符以交易的形式进行投票，得票数前101位被选为代表。

代表们轮流产生区块，收益（交易手续费）平分。DPoS的优点在于大幅减少了参与区块验证和记账的节点数量，从而缩短了共识验证所需要的时间，大幅提高了交易效率。从某种角度来说，DPoS可以理解为多中心系统，兼具去中心化和中心化优势。优点：大幅缩小参与验证和记账节点的数量，可以达到秒级的共识验证。缺点：投票积极性不高，绝大部分代币持有者未参与投票；另整个共识机制还是依赖于代币，很多商业应用是不需要代币存在的。

DPoS机制要求在产生下一个区块之前，必须验证上一个区块已经被受信任节点所签署。相比于PoS的" 全民挖矿 "，DPoS则是利用类似" 代表大会 "的制度来直接选取可信任节点，由这些可信任节点（即见证人）来代替其他持币人行使权力，见证人节点要求长期在线，从而解决了因为PoS签署区块人不是经常在线而可能导致的产块延误等一系列问题。 DPoS机制通常能达到万次每秒的交易速度，在网络延迟低的情况下可以达到十万秒级别，非常适合企业级的应用。 因为公信宝数据交易所对于数据交易频率要求高，更要求长期稳定性，因此DPoS是非常不错的选择。

2. 股份授权证明机制下的机构与系统

理事会是区块链网络的权力机构，理事会的人选由系统股东（即持币人）选举产生，理事会成员有权发起议案和对议案进行投票表决。

理事会的重要职责之一是根据需要调整系统的可变参数，这些参数包括：

l 费用相关：各种交易类型的费率。

l 授权相关：对接入网络的第三方平台收费及补贴相关参数。

l 区块生产相关：区块生产间隔时间，区块奖励。

l 身份审核相关：审核验证异常机构账户的信息情况。

l 同时，关系到理事会利益的事项将不通过理事会设定。

在Finchain系统中，见证人负责收集网络运行时广播出来的各种交易并打包到区块中，其工作类似于比特币网络中的矿工，在采用 PoW(工作量证明)的比特币网络中，由一种获奖概率取决于哈希算力的抽彩票方式来决定哪个矿工节点产生下一个区块。而在采用 DPoS 机制的金融链网络中，通过理事会投票决定见证人的数量，由持币人投票来决定见证人人选。入选的活跃见证人按顺序打包交易并生产区块，在每一轮区块生产之后，见证人会在随机洗牌决定新的顺序后进入下一轮的区块生产。

3. DPoS的应用实例

比特股(bitshares) 采用DPoS。DPoS主要适用于联盟链。

4.简图理解模式

（四）PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）实用拜占庭容错算法

1. 基本介绍

PBFT是一种基于严格数学证明的算法，需要经过三个阶段的信息交互和局部共识来达成最终的一致输出。三个阶段分别为预备 (pre-prepare)、准备 (prepare)、落实 (commit)。PBFT算法证明系统中只要有2/3比例以上的正常节点，就能保证最终一定可以输出一致的共识结果。换言之，在使用PBFT算法的系统中，至多可以容忍不超过系统全部节点数量1/3的失效节点 (包括有意误导、故意破坏系统、超时、重复发送消息、伪造签名等的节点，又称为”拜占庭”节点)。

2. PBFT的应用实例

著名联盟链Hyperledger Fabric v0.6采用的是PBFT，v1.0又推出PBFT的改进版本SBFT。PBFT主要适用于私有链和联盟链。

3. 简图理解模式

上图显示了一个简化的PBFT的协议通信模式，其中C为客户端，0 – 3表示服务节点，其中0为主节点，3为故障节点。整个协议的基本过程如下：

(1) 客户端发送请求，激活主节点的服务操作；

(2) 当主节点接收请求后，启动三阶段的协议以向各从节点广播请求；

(a) 序号分配阶段，主节点给请求赋值一个序号n，广播序号分配消息和客户端的请求消息m，并将构造pre-prepare消息给各从节点；

(b) 交互阶段，从节点接收pre-prepare消息，向其他服务节点广播prepare消息；

(c) 序号确认阶段，各节点对视图内的请求和次序进行验证后，广播commit消息，执行收到的客户端的请求并给客户端响应。

(3) 客户端等待来自不同节点的响应，若有m+1个响应相同，则该响应即为运算的结果；

（五）DBFT（Delegated Byzantine Fault Tolerance）授权拜占庭容错算法

1. 基本介绍

DBFT建基于PBFT的基础上，在这个机制当中，存在两种参与者，一种是专业记账的“超级节点”，一种是系统当中不参与记账的普通用户。普通用户基于持有权益的比例来投票选出超级节点，当需要通过一项共识（记账）时，在这些超级节点中随机推选出一名发言人拟定方案，然后由其他超级节点根据拜占庭容错算法（见上文），即少数服从多数的原则进行表态。如果超过2/3的超级节点表示同意发言人方案，则共识达成。这个提案就成为最终发布的区块，并且该区块是不可逆的，所有里面的交易都是百分之百确认的。如果在一定时间内还未达成一致的提案，或者发现有非法交易的话，可以由其他超级节点重新发起提案，重复投票过程，直至达成共识。

2. DBFT的应用实例

国内加密货币及区块链平台NEO是 DBFT算法的研发者及采用者。

3. 简图理解模式

假设系统中只有四个由普通用户投票选出的超级节点，当需要通过一项共识时，系统就会从代表中随机选出一名发言人拟定方案。发言人会将拟好的方案交给每位代表，每位代表先判断发言人的计算结果与它们自身纪录的是否一致，再与其它代表商讨验证计算结果是否正确。如果2/3的代表一致表示发言人方案的计算结果是正确的，那么方案就此通过。

如果只有不到2/3的代表达成共识，将随机选出一名新的发言人，再重复上述流程。这个体系旨在保护系统不受无法行使职能的领袖影响。

上图假设全体节点都是诚实的，达成100%共识，将对方案A（区块）进行验证。

鉴于发言人是随机选出的一名代表，因此他可能会不诚实或出现故障。上图假设发言人给3名代表中的2名发送了恶意信息（方案B），同时给1名代表发送了正确信息（方案A）。

在这种情况下该恶意信息（方案B）无法通过。中间与右边的代表自身的计算结果与发言人发送的不一致，因此就不能验证发言人拟定的方案，导致2人拒绝通过方案。左边的代表因接收了正确信息，与自身的计算结果相符，因此能确认方案，继而成功完成1次验证。但本方案仍无法通过，因为不足2/3的代表达成共识。接着将随机选出一名新发言人，重新开始共识流程。

上图假设发言人是诚实的，但其中1名代表出现了异常；右边的代表向其他代表发送了不正确的信息（B）。

在这种情况下发言人拟定的正确信息（A）依然可以获得验证，因为左边与中间诚实的代表都可以验证由诚实的发言人拟定的方案，达成2/3的共识。代表也可以判断到底是发言人向右边的节点说谎还是右边的节点不诚实。

（六）SCP (Stellar Consensus Protocol ) 恒星共识协议

1. 基本介绍

SCP 是 Stellar (一种基于互联网的去中心化全球支付协议) 研发及使用的共识算法，其建基于联邦拜占庭协议 (Federated Byzantine Agreement) 。传统的非联邦拜占庭协议（如上文的PBFT和DBFT）虽然确保可以通过分布式的方法达成共识，并达到拜占庭容错 (至多可以容忍不超过系统全部节点数量1/3的失效节点)，它是一个中心化的系统 — 网络中节点的数量和身份必须提前知晓且验证过。而联邦拜占庭协议的不同之处在于它能够去中心化的同时，又可以做到拜占庭容错。

[…]

（七）RPCA（Ripple Protocol Consensus Algorithm）Ripple共识算法

1. 基本介绍

RPCA是Ripple（一种基于互联网的开源支付协议，可以实现去中心化的货币兑换、支付与清算功能）研发及使用的共识算法。在 Ripple 的网络中，交易由客户端（应用）发起，经过追踪节点（tracking node）或验证节点（validating node）把交易广播到整个网络中。追踪节点的主要功能是分发交易信息以及响应客户端的账本请求。验证节点除包含追踪节点的所有功能外，还能够通过共识协议，在账本中增加新的账本实例数据。

Ripple 的共识达成发生在验证节点之间，每个验证节点都预先配置了一份可信任节点名单，称为 UNL（Unique Node List）。在名单上的节点可对交易达成进行投票。共识过程如下：

(1) 每个验证节点会不断收到从网络发送过来的交易，通过与本地账本数据验证后，不合法的交易直接丢弃，合法的交易将汇总成交易候选集（candidate set）。交易候选集里面还包括之前共识过程无法确认而遗留下来的交易。

(2) 每个验证节点把自己的交易候选集作为提案发送给其他验证节点。

(3) 验证节点在收到其他节点发来的提案后，如果不是来自UNL上的节点，则忽略该提案；如果是来自UNL上的节点，就会对比提案中的交易和本地的交易候选集，如果有相同的交易，该交易就获得一票。在一定时间内，当交易获得超过50%的票数时，则该交易进入下一轮。没有超过50%的交易，将留待下一次共识过程去确认。

(4) 验证节点把超过50%票数的交易作为提案发给其他节点，同时提高所需票数的阈值到60%，重复步骤(3)、步骤(4)，直到阈值达到80%。

(5) 验证节点把经过80%UNL节点确认的交易正式写入本地的账本数据中，称为最后关闭账本（last closed ledger），即账本最后（最新）的状态。

在Ripple的共识算法中，参与投票节点的身份是事先知道的，因此，算法的效率比PoW等匿名共识算法要高效，交易的确认时间只需几秒钟。这点也决定了该共识算法只适合于联盟链或私有链。Ripple共识算法的拜占庭容错（BFT）能力为（n-1）/5，即可以容忍整个网络中20%的节点出现拜占庭错误而不影响正确的共识。

2. 简图理解模式

共识过程节点交互示意图：

共识算法流程：

（八）POOL验证池共识机制

Pool验证池共识机制是基于传统的分布式一致性算法（Paxos和Raft）的基础上开发的机制。Paxos算法是1990年提出的一种基于消息传递且具有高度容错特性的一致性算法。过去, Paxos一直是分布式协议的标准，但是Paxos难于理解，更难以实现。Raft则是在2013年发布的一个比Paxos简单又能实现Paxos所解决问题的一致性算法。Paxos和Raft达成共识的过程皆如同选举一样，参选者需要说服大多数选民(服务器)投票给他，一旦选定后就跟随其操作。Paxos和Raft的区别在于选举的具体过程不同。而Pool验证池共识机制即是在这两种成熟的分布式一致性算法的基础上，辅之以数据验证的机制。

『陆』 区块链的灵魂的共识机制是什么

区块链，通俗地说，是一个去中心化的账本。只是这个账本与传统账本不同，不是由会计或少数几个人来记账，而是人人都可以参与记账。而且，这个记账需要一个大家都认可的规则，即“怎样记账才是有效”，而这个大家认可的规则就是区块链的共识机制。

一大家人计划去国外旅游，通过商议后，选了泰国，那么到泰国去旅游就是你们家形成的共识。而商议的方式，是少数服从多数，而少数服从多数就是你们家确定旅游目的地的共识机制。

同样，PoW、PoS、DPoS，分别代表区块链网络的三种主要记账规则，它们的作用非常大，直接关系到记账权和相关收益的分配。不夸张地说，共识机制是区块链的灵魂。

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『柒』 区块链在金融领域的前景分析论文

区块链在金融领域的前景分析论文

区块链技术诞生于2008年，第一个应用是毕特币。区块链技术使用去中心化共识机制，维护一个完整的、分布式的、不可篡改的账本数据库，在无需建立信任关系的前提下，能够让区块链中的参与者实现一个统一的账本系统。2015年，欧美的很多主流金融机构认识到了该技术的应用前景，纷纷探索在金融领域应用区块链技术。国际货币基金组织在一份报告中指出“它具有改变财政金融的潜力”，也有人认为区块链技术将会像复式记账法和股份制一样深刻改变人类社会。

区块链将使所有个体都有可能成为金融资源配置中的重要节点，也将促进现有金融体系与金融规则的改良，构建共享共赢式的金融发展生态体系。区块链技术的出现是人类信用创造的一次革命，它能让交易双方在无需第三方信用中介的情况下开展经济活动，从而实现低成本的价值转移。可以说，区块链技术是互联网时代效率更高的价值交换技术，互联网由此从传递信息的信息互联网向转移价值的价值互联网进化，这有利于传统金融机构借势转型，将内生的业务流程和应用场景互联网化。

一、区块链的特征与不足

(一)区块链的主要特征

(1)去中心。在区块链中，不存在中心化的硬件或管理机构，分布式的结构体系和开源协议让所有的参与者都参与数据的记录和验证，再通过分布式传播发送给各个节点，每个参与的节点都是“自中心”，权利和义务都是均等的。区块链又不是简单的去中心，而是多中心或弱中心。当物联网使所有个体都有可能成为中心节点时，传统金融中介的中心地位发生改变，从垄断型、资源优势型的中心和强中介转化为开放式平台，成为服务导向式的多中心当中的差异化中心。

(2)去信任。从信任的角度来看，区块链采用一套公开透明的数学算法，基于协商一致的规范和协议，使所有节点能够在去信任的环境下自动安全地交换数据。区块链实质上是通过数学方法解决信任问题，所有的规则都以算法程序的形式表达，参与方不需要知道交易对手的信用水平，不需要第三方机构的交易背书或者担保验证，只需要信任共同的算法，通过算法为参与者创造信用、产生信任、达成共识。

(3)时间戳。区块是一段时间内的数据和代码打包而生成的，下一区块的页首包含上一区块的索引信息，首尾相连便形成了链。记录完整历史的区块与可进行完整验证的链，形成了可追朔完整历史的时间戳，可为每一笔数据提供检索和查找功能，并可借助区块链结构追本溯源，逐笔验证。所以，区块链生成时都加盖了时间戳，形成不可篡改、不可伪造的数据库。单个节点上对数据库的修改是无效的，除非能够同时控制系统中超过51%的节点，因此区块链的数据可靠性很高。

(4)非对称加密。区块链使用非对称加密算法，即在加密和解密过程中使用一个“密钥对”，“密钥对”中的两个密钥具有非对称特点。在区块链的应用场景中，一方面，密钥是所有参与者可见的公钥，参与者都可用公钥来加密一段真实性信息，只有信息拥有者能用私钥来解密。另一方面，使用私钥对信息签名，通过对应的公钥来验证签名，确保信息为真正的持有人发出。非对称加密将价值交换中的摩擦边界降到最低，能够实现透明数据的匿名性，保护个人隐私。

(5)智能合约：由于区块链可实现点对点的价值传递，传递时可以嵌入相应的编程脚本，通过这种智能合约的方式去处理一些无法预见的交易模式，保证区块链能够持续生效。这种可编程脚本本质上是众多指令汇总的列表，实现价值交换时的针对性和条件性，实现价值的特定用途。所以，基于区块链的任何价值交换活动都可通过智能编程的方式对其用途、方向和各种限制条件等做到硬控制，省去了以法律或者合同软约束的成本。

(二)区块链存在的主要问题

(1)高能耗问题。传统货币银行学体系中存在不可能三角，即不可能同时达到去中心化、低能耗和高度安全，在区块链构建中也同样存在不可能三角。比如，在毕特币的实际应用中，其发展带来了计算机硬件的快速膨胀，在“挖矿”过程中的主要成本转移到硬件成本和电力成本等。所以，应用区块链技术实现权益成本收益后，让其技术功效发挥至最大化成为急需解决的问题。

(2)存储空间问题。由于区块链记录系统中自初始信息的每一笔交易信息，并且每个节点都要下载存储并实时更新数据区块，所以，每个节点的数据都完全同步的话，网络压力较大，每个节点的存储空间容量要求可能会成为制约其发展的关键问题。

(3)抗压能力问题。基于区块链构建的.系统遵循木桶理论，要兼顾所有网络节点中处理速度和网络环境最差的，所以，如果将区块链技术推广至大规模交易环境下，其整体的抗压能力还有待验证。如果每秒产生的交易量超过系统(最弱节点)的设计容纳能力，交易就自动进入到队列进行排队，带来不良用户体验。

二、区块链在金融领域的应用

(一)金融基础设施

区块链可能作为互联网的基础设施，在很多领域都表现出广阔的应用前景。在金融行业中，区块链技术将首先影响支付系统、证券结算系统、交易数据库等金融基础设施，随后该技术也会扩及一般性金融业务，比如信用体系、“反洗钱”等。这是因为，基于区块链技术的特点，其将首先切入信任要求高且传统信任机制成本高的基础设施领域，过去，基础设施都是公共产品，而区块链新技术和新制度使更多人有可能参与公共产品供给。未来的互联网金融是要利用区块链等互联网技术，改造传统金融机构的核心生产系统，把金融企业架构在互联网上。

当前的信息互联网可统称为TCP/IP模型，HTTP是应用层中最重要的应用协议。在价值互联网中，区块链是在应用层里的一个点对点传输的协议。它的价值与信息互联网中HTTP协议的价值是一样的。区块链的巨大潜力和前景就是可以重构传统金融业的基础设施与核心生产系统，而不仅仅停留在APP等应用层面。这是因为，在网络层次，区块链是建立在IP通信协议基础上的，是建立在分布式网络基础上的;在数据层面，区块链这一数据库系统是崭新的，明显优于现有金融体系的数据库;在应用层面，基于区块链的登记结算、清算系统以及智能合约、物联网能大幅提升效率，区块链上的金融活动是可编程的金融。.

(二)数字的货币

从安全、成本等角度看，纸币被新技术、新产品取代是大势所趋。数字的货币发行、流通体系的建立，对于金融基础设施建设和经济发展都是十分必要的。遵循传统货币与数字的货币一体化的思路，数字的货币的发行、流通和交易应由央行主导，体现便利性和安全性，做到保护隐私与维护社会秩序、打击违法犯罪行为的平衡，要有利于货币政策的有效运行和传导，要保留货币主权的控制力，数字的货币是自由可兑换的，同时也是可控的可兑换。

区块链技术在毕特币上的成功证明了可编程数字的货币的可行性。英国央行的研究表明，中央银行可以考虑发行基于区块链的数字的货币，这可增加金融稳定性。数字的货币的技术路线可分为基于账户和不基于账户两种，也可分层并用而设法共存。区块链技术的特点是分布式簿记，不基于账户，而且无法篡改，如果数字的货币重点强调保护个人隐私，可选用这一技术。不过，目前区块链占用的计算资源和存储资源太多，应对不了现在的交易规模，需要解决这一问题才能得到推广应用。

(三)自金融

如果从服务的角度、从非货币创造角度来看，现代金融都是通过中介机构实现的。互联网时代，有可能实现去中介化的真正意义上的直接金融。不过，这种可能性还不完全，最主要的原因是目前互联网金融是在原有金融基础之上的，无法跳出来，区块链技术提供了一种可能性。区块链可分为公有区块链和私有区块链。公有区块链就是像毕特币这样的，认可了协议，就成为区块链的组成部分。私有区块链仍然是要获得许可的，银行系统的区块链技术，需要对每一个参与者进行审核。私有区块链非常近似于一种自金融的形态，公有区块链更类似于对私有区块链底层的支持和保障。当区块链技术普遍应用，金融管理技术的第三方化普通呈现，基于区块链技术的自金融就完全成为可能。

三、区块链应用与金融监管

区块链技术是目前唯一无需第三方就可用于记录和证明交易一致性和公司财务准确性的工具。因此，它可以满足潜在监管者和公众对于审计有效性、准确性和时效性的要求，在金融领域有着广阔的应用前景。但其发展仍受到现行制度的制约。一方面，区块链对现行体制带来了冲击，因为其去中心、自治的特性淡化了国家、监管等概念。比如，以毕特币为代表的数字的货币挑战了国家的货币发行权和货币政策调控权，导致货币当局对数字的货币的发展持保守态度。另一方面，监管部门对这项新技术也缺乏充分的认识和预期，法律和制度建立将会严重滞后，导致区块链运用缺乏必要的制度规范和法律保护，增大了市场主体的风险。

区块链金融技术一旦在金融业普遍展开以后，监管的去金融属性化就产生了，监管职能、监管方式和监管手段将会被重新界定。比如，证券借贷、回购和融资融券如能通过区块链交易，监管部门就可考虑利用这个公共账本的信息对市场中的系统性风险进行监控，不仅高效而且可靠。从宏观金融视角看，当自金融时代产生以后，货币创造和传导机制以及信用创造格局将会变化。从微观金融视角看，随着区块链技术的进一步发展，金融与商业已经难以区分，将超越分业和混业监管的含义，金融监管体系的改革需要从这个视角来探讨。

区块链技术带来的“去中心化”仍需要中心化的部门提供规范和保障支持。监管机构可主动拥抱互联网金融的新技术，美国证监会委员Kara Stein认为，监管机构需要处于引导位置，利用区块链技术的优势并快速响应其潜在的弱点。比如，区块链技术希望打破特权和人为操纵，让计算机算法实现“信用自由公证”。但从实践来看，由于缺乏监管，毕特币等数字的货币交易面临的投机和洗钱风险就很高。因此，区块链技术应用需要监管部门制定相关标准和规范，保证金融创新产品得到合理运用。同时，还要提高消费者权益的保护，加强金融消费权益保护的教育工作，提高消费者的风险防范意识。

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『捌』 区块链论文精读——Pixel: Multi-signatures for Consensus

论文主要提出了一种针对共识机制PoS的多重签名算法Pixel。

所有基于PoS的区块链以及允许的区块链均具有通用结构，其中节点运行共识子协议，以就要添加到分类账的下一个区块达成共识。这样的共识协议通常要求节点检查阻止提议并通过对可接受提议进行数字签名来表达其同意。当一个节点从特定块上的其他节点看到足够多的签名时，会将其附加到其分类帐视图中。

由于共识协议通常涉及成千上万的节点，为了达成共识而共同努力，因此签名方案的效率至关重要。此外，为了使局外人能够有效地验证链的有效性，签名应紧凑以进行传输，并应快速进行验证。已发现多重签名对于此任务特别有用，因为它们使许多签名者可以在公共消息上创建紧凑而有效的可验证签名。

补充知识： 多重签名
是一种数字签名。在数字签名应用中，有时需要多个用户对同一个文件进行签名和认证。比如，一个公司发布的声明中涉及财务部、开发部、销售部、售后服务部等部门，需要得到这些部门签名认可，那么，就需要这些部门对这个声明文件进行签名。能够实现多个用户对同一文件进行签名的数字签名方案称作多重数字签名方案。
多重签名是数字签名的升级，它让区块链相关技术应用到各行各业成为可能。 在实际的操作过程中，一个多重签名地址可以关联n个私钥，在需要转账等操作时，只要其中的m个私钥签名就可以把资金转移了，其中m要小于等于n，也就是说m/n小于1，可以是2/3, 3/5等等，是要在建立这个多重签名地址的时候确定好的。

本文提出了Pixel签名方案，这是一种基于配对的前向安全多签名方案，可用于基于PoS的区块链，可大幅节省带宽和存储要求。为了支持总共T个时间段和一个大小为N的委员会，多重签名仅包含两个组元素，并且验证仅需要三对配对，一个乘幂和N -1个乘法。像素签名几乎与BLS多重签名一样有效，而且还满足前向安全性。此外，就像在BLS多签名中一样，任何人都可以非交互地将单个签名聚合到一个多签名中。

有益效果：
为了验证Pixel的设计，将Pixel的Rust实施的性能与以前的基于树的前向安全解决方案进行了比较。展示了如何将Pixel集成到任何PoS区块链中。接下来，在Algorand区块链上评估Pixel，表明它在存储，带宽和块验证时间方面产生了显着的节省。我们的实验结果表明，Pixel作为独立的原语并在区块链中使用是有效的。例如，与一组128位安全级别的N = 1500个基于树的前向安全签名（对于T = 232）相比，可以认证整个集合的单个Pixel签名要小2667倍，并且可以被验证快40倍。像素签名将1500次事务的Algorand块的大小减少了约35％，并将块验证时间减少了约38％。

对比传统BLS多重签名方案最大的区别是BLS并不具备前向安全性。

对比基于树的前向安全签名，基于树的前向安全签名可满足安全性，但是其构造的签名太大，验证速度有待提升。 本文设计减小了签名大小、降低了验证时间。

补充知识： 前向安全性
是密码学中通讯协议的安全属性，指的是长期使用的主密钥泄漏不会导致过去的会话密钥泄漏。前向安全能够保护过去进行的通讯不受密码或密钥在未来暴露的威胁。如果系统具有前向安全性，就可以保证在主密钥泄露时历史通讯的安全，即使系统遭到主动攻击也是如此。

构建基于分层身份的加密（HIBE）的前向安全签名，并增加了在同一消息上安全地聚合签名以及生成没有可信集的公共参数的能力。以实现：
1、生成与更新密钥
2、防止恶意密钥攻击的安全性
3、无效的信任设置

对于常见的后攻击有两种变体：
1、短程变体：对手试图在共识协议达成之前破坏委员会成员。解决：通过假设攻击延迟长于共识子协议的运行时间来应对短距离攻击。
2、远程变体：通过分叉选择规则解决。
前向安全签名为这两种攻击提供了一种干净的解决方案，而无需分叉选择规则或有关对手和客户的其他假设。（说明前向安全签名的优势）。

应用于许可的区块链共识协议（例如PBFT）也是许多许可链（例如Hyperledger）的核心，在这些区块链中，只有经过批准的方可以加入网络。我们的签名方案可以类似地应用于此设置， 以实现前向保密性，减少通信带宽并生成紧凑的块证书。

传统Bellare-Miner 模型，消息空间M的前向安全签名方案FS由以下算法组成：
1、Setup
pp ←Setup(T), pp为各方都同意的公共参数，Setup(T)表示在T时间段内对于固定参数的分布设置。

2、Key generation
(pk,sk1) ←Kg
签名者在输入的最大时间段T上运行密钥生成算法，以为第一时间段生成公共验证密钥pk和初始秘密签名密钥sk1。

3、Key update
skt+1←Upd(skt) 签名者使用密钥更新算法将时间段t的秘密密钥skt更新为下一个周期的skt + 1。该方案还可以为任何t0> t提供 “快速转发”更新算法 skt0←$ Upd0（skt，t0），该算法比重复应用Upd更有效。

4、Signing
σ ←Sign(skt,M),在输入当前签名密钥skt消息m∈M时，签名者使用此算法来计算签名σ。

5、Verification
b ← Vf(pk,t,M,σ)任何人都可以通过运行验证算法来验证消息M在公共密钥pk下的时间段t内的签名M的签名，该算法返回1表示签名有效，否则返回0。

1、依靠非对称双线性组来提高效率，我们的签名位于G2×G1中而不是G2 ^2中。这样，就足以给出公共参数到G1中（然后我们可以使用散列曲线实例化而无需信任设置），而不必生成“一致的”公共参数（hi，h0 i）=（gxi 1，gxi 2）∈G1× G2。

2、密钥生成算法，公钥pk更小，参数设置提升安全性。

除了第3节中的前向安全签名方案的算法外，密钥验证模型中的前向安全多重签名方案FMS还具有密钥生成，该密钥生成另外输出了公钥的证明π。
新增Key aggregation密钥汇总、Signature aggregation签名汇总、Aggregate verification汇总验证。满足前向安全的多重签名功能的前提下也证明了其正确性和安全性。

1、PoS在后继损坏中得到保护
后继损坏：后验证的节点对之前的共识验证状态进行攻击破坏。
在许多用户在同一条消息上传播许多签名（例如交易块）的情况下，可以将Pixel应用于所有这些区块链中，以防止遭受后继攻击并潜在地减少带宽，存储和计算成本。

2、Pixel整合
为了对区块B进行投票，子协议的每个成员使用具有当前区块编号的Pixel签署B。当我们看到N个委员会成员在同一块B上签名的集合时，就达成了共识，其中N是某个固定阈值。最后，我们将这N个签名聚合为单个多重签名Σ，而对（B，Σ）构成所谓的 区块证书 ，并将区块B附加到区块链上。

3、注册公共密钥
希望参与共识的每个用户都需要注册一个参与签名密钥。用户首先采样Pixel密钥对并生成相应的PoP。然后，用户发出特殊交易（在她的消费密钥下签名）， 注册新的参与密钥 。交易包括PoP。选择在第r轮达成协议的PoS验证者，检查（a）特殊交易的有效性和（b）PoP的有效性。如果两项检查均通过，则 使用新的参与密钥更新用户的帐户 。从这一点来看，如果选中，则用户将使用Pixel登录块。
即不断更换自己的参与密钥，实现前向安全性。

4、传播和聚集签名
各个委员会的签名将通过网络传播，直到在同一块B上看到N个委员会成员的签名为止。请注意，Pixel支持非交互式和增量聚合：前者意味着签名可以在广播后由任何一方聚合，而无需与原始签名者，而后者意味着我们可以将新签名添加到多重签名中以获得新的多重签名。实际上，这意味着传播的节点可以对任意数量的委员会签名执行中间聚合并传播结果，直到形成块证书为止。或者，节点可以在将块写入磁盘之前聚合所有签名。也就是说，在收到足够的区块证明票后，节点可以将N个委员会成员的签名聚集到一个多重签名中，然后将区块和证书写入磁盘。

5、密钥更新
在区块链中使用Pixel时，时间对应于共识协议中的区块编号或子步骤。将时间与区块编号相关联时，意味着所有符合条件的委员会成员都应在每次形成新区块并更新轮回编号时更新其Pixel密钥。

在Algorand 项目上进行实验评估，与Algorand项目自带的防止后腐败攻击的解决方案BM-Ed25519以及BLS多签名解决方案做对比。

存储空间上：

节省带宽：
Algorand使用基于中继的传播模型，其中用户的节点连接到中继网络（具有更多资源的节点）。如果在传播过程中没有聚合，则中继和常规节点的带宽像素节省来自较小的签名大小。每个中继可以服务数十个或数百个节点，这取决于它提供的资源。

节省验证时间