比特币10周年今非昔比共识机制融合发展一路向前

算力巡游记(三)

2008年10月31日,比特币白皮书横空出世,随后的区块链世界风起云涌。2009年1月,btc网络正式上线,比特币正式流通。POW的应用真正落地,也成为后来共识机制发展的源头。

之后随着整个区块链行业的快速发展,各种区块链项目如雨后春笋般冒出来,共识机制的发展,也随着不同的项目出现,快速发展。QuantumMechanic 2011年在比特币论坛讲座上首先提出权益证明(Proof of Stake,简称PoS),后经Peercoin(点点币)和NXT(未来币)以不同思路实现。差不多同时,BitShares(比特股)社区首先提出了股份授权证明(简称DPoS)机制,类似于董事会投票,持币者投出一定数量的节点,进行代理验证和记账。在拜占庭容错机制方面,国内三大公链之一的NEO,首次提出,改良拜占庭将军算法——DBFT。

从共识机制的发展可以看到不同区块链项目在“不可能三角问题”上的积极探索和实践。

此次恰逢比特币白皮书发布10周年,算力智库遴选出两家国内领先的底层公链项目——Qtum和NEO,从共识算法的角度切入,梳理一下区块链共识机制的发展,以期呈现出国内区块链底层技术行业的特色和动态,供大家参考。

【算力智库专家点评】

  • 对于共识算法,我们从算力智库专家库VNT Chain相关技术专家了解到,对于整个共识算法来说,可以从性能、去中心化程度、可扩展性三个维度去考量。每一种算法机制不过是在三个特点上做平衡而已。

  • Qtum的POS算法的风险在于分叉的可能性比较大,这也是POS算法本身的特性。需要一些新的方法来化解。NEO的拜占庭算法,由于节点数量比较固定,容易被攻击,安全分险需要找到新的方法。

  • 整个共识算法领域的未来的可能方向有两点:一个是以DAG为代表的在架构上提高节点的随机性,使得信任度更高,另一个方向是随机数算法+DBFT,再加上一些硬件加速策略,提高通信的并行处理。

【核心观点】

  • 从比特币诞生到现在,10年的时间里,出现了2大类共识算法,不同的共识算法,都是围绕“不可能三角”来做技术改进的。在可扩展性、去中心化、安全性三者不可兼得的情况下,一部分算法,在保证去中心化的前提下,尽量提高性能,另一部分算法,在保证高性能基础上,尽量提高去中心化程度。项目之间相互借鉴,是大势所趋。

  • Qtum 作为POS共识机制的加强版,融合比特币的UTXO账户模型,ETH的智能合约,以及POS机制,三者合一,在现有成熟技术上进行创新,技术务实,可实现程度较高。

  • NEO 采用拜占庭容错机制的加强版,针对现有生态设计,更加符合平台对容错性的要求,利于整个系统的生态构建,目前中心化程度较高,主要是为了提高效率考虑。

  • 任何共识算法的改进和融合,都是在没有优劣之分,都是在项目理念上的差别而已,评价一个共识算法的进展,我们需要从项目路线图来看是否符合项目白皮书的理念。目前来看,Qtum 和NEO 都在积极按照路线图推进,未来可期。

区块链共识机制发展历史:从POW到DPOS

POW(工作量证明机制)

在2008年,中本聪发表了具有划时代意义的论文《btc:一种点对点的电子现金系统》提出了BlockChain这种数据结构。2009年1月,btc网络正式上线,POW应用落地,成为共识机制发展的源头。

POS(权益证明)

 2012年,Sunny King发布了点点币(Peercoin,也被称为PPCoin,PPC),并在点点币中首次极具创意的提出了POS机制的概念,一改浪费能源的POW当道的历史,开创了一个全新的世界,也以此开启了山寨币的新历史。

DPOS(授权权益证明)

比特股(Bitshares)项目于2013年8月开始启动,此时POW和POS都已成功运行许久,按照项目规划,POW或POS都达不到要求,于是比特股发明了一种新的共识机制——DelegatedProof-Of-Stake(DPOS),即股份授权股权证明。

DBFT(拜占庭容错机制)

该算法是由我国开源区块链项目小蚁区块链提出并采用的。对标以太坊的NEO,在共识机制的选取上和以太坊走了完全不同的路。不同于btc、eth采用的POW机制,NEO采用了一种更加类似于EOS的DPOS共识机制,改良拜占庭将军算法——DBFT。

两大类共识算法:按照数据写入先后分类

依据当前主流分类方法,主要是依据写入顺序的前后,把共识算法分为两大类,如下表所示:

区块链有两类现行的共识机制,根据数据写入的先后顺序判定。一般来说,许可链采用节点投票的共识机制,以降低安全为代价,提升系统性能。非许可链采用基于工作量、权益证明等的共识机制,主要强调系统安全性,但性能较差。

为了鼓励各节点共同参与进来,维护区块链系统的安全运行,非许可链采用发行 Token 的方式,作为参与方的酬劳和激励机制,即通过经济平衡的手段,来防止对总账本内容进行篡改。因此,根据运行环境和信任分级,选择适用的共识机制是区块链应用落地应当考虑的重要因素之一。

在底层技术平台领域,国内多家公司各有特色,依据创始团队的理念和项目的实际愿景,选择了不同的共识算法。算力智库分别从两大类共识算法中,选择了PoS算法和PBFT算法,遴选出公链底层技术领先公司——量子链和小蚁,从共识算法的角度切入,来了解不同的共识算法的应用特色。

Qtum互惠权益证明:UTXO+PoS+智能合约,三者合一

  • 从白皮书和项目报告中,以及和CTO的访谈,我们了解到,Qtum 采用的共识机制是MPoS (互惠权益证明机制),Qtum 最大的特色是UTXO+PoS+智能合约。

  • 采用UTXO账户模型,主要基于三点优势:1、在Qtum项目创立初期,比特币网络已经稳定运行了7、8年了。UTXO账户模型的稳定性、安全性、交易并发性已经得到过验证。2、可以更好地解决双花问题。3、采用简单支付协议(SPV),便于钱包接入,便于DAPP应用。

  • 智能合约方面,大部分代码是借鉴以太坊,对以太坊做了进一步改进,可以兼容比特币网络和以太坊网络上的项目。

  • 采取PoS 模型的初衷是,避免像POW一样浪费资源,另外可以利用代币管理来规避中心化风险。最大可能的在保证高性能的基础上,追求去中心化。

NEO拜占庭容错机制:容错性好,执行速度良好

  • 确定性好,所有交易在第一次确认之后都是100%的最终结果。NEO的高级研发经理Malcolm Lerider谈到了DBFT协议表示:区块链不能使用DBFT进行分叉,同时高价值链上交易执行起来会快得多,它是基于管理和业务用例构建的。

  • 授权拜占庭容错机制的优点:专业化的记账人;可以容忍任何类型的错误;记账由多人协同完成;每一个区块都有最终性,不会分叉;算法的可靠性有严格的数字证明。

  • DBFT共识机制中,NEO持有人不直接参与共识。共识节点的个数由投票流程决定,为7-1024个不等。所以,随着NEO核心协议的逐步稳定,NEO持有者有望选出1到几十个共识节点。根据团队预测,2018年该数字将维持在7到13个。

  • 在牺牲去中心化和安全性的前提下,旨在提升公链性能。目前DBFT的机制,中心化程度较高。这一点受到质疑,NEO创始人达鸿飞在2018年3月6日公开回应:项目还处于早期阶段,相较去中心化,团队更看重效率。

算力综评

  • 从比特币的POW共识机制,到POS机制,再到DPOS和DBFT机制。共识机制的过去发展,随着区块链项目的发展一路向前。

  • 从Qtum 和 NEO的共识算法分析中,我们可以看到,无论是哪一种共识机制,总是需要在去中心化和性能之间进行取舍,任何一种算法的发展都是基于当前项目的需要和发展去做创新的,没有优劣之分,只是理念不同而已。

本文来源: 算力智库 文章作者: 吴佩 我要纠错
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