区块链是分散的 点对点网络 存储仅追加(添加到数据的末尾)数据并在整个网络上验证该信息的完整性。 集体验证所述数据的准确性(达成共识)是区块链的定义特征之一。
区块链的想法可以追溯到 至少在1990年代。 基本理论是使用一种共识在计算机网络上复制数据 算法 同意要添加的任何数据。 然后,使用加密 哈希链 使数据库几乎不可变。
有关区块链和哈希的更多信息,请查看 我们的区块链文章。 但是,下面,我们将重点关注通过以下主题,不同类型的区块链就添加到其数据(块)序列(链)的数据达成共识的各种方式:
各种区块链共识机制的主要差异在于如何在网络参与者之间分配向区块链添加数据的权利,以及网络如何将这些数据作为交易的准确账目进行验证。
解决这些问题的计算机过程集称为共识算法,该共识算法被称为负责在给定区块链网络上安全更新数据状态的机制。
网络中的每个节点(计算机)独立地验证和处理每个事务,因此必须有权访问数据库的当前状态,给定事务所请求的修改以及证明事务起源和准确性的数字签名。 然后的问题是,所有节点如何在数据上达成共识(协议)。 区块链旨在解决的最大问题称为“拜占庭将军的问题“。
这个问题比区块链本身存在的时间更长,基本上是这样的:您如何仅基于实体之间传递的消息来使专注于同一目标的实体网络保持一致,而信息不会被恶意破坏网络中的演员? 例如,如果尝试通过网络发送加密货币,如何确定交易明细未被网络中的恶意节点篡改和更改?
这是达成共识机制的地方,以确保网络保持同步并且数据不受干扰。 以下是不同小组为实现这一结果而提出的一些解决方案。
工作量证明是目前最流行的区块链共识机制。 名称所描述的``工作证明''是区块链网络证明 矿工 网络节点(将事务分组为多个块并对其进行验证的网络节点)已完成创建有效块(一组事务)所需的工作。 尽管节点很难生成有效的块(这需要大量的计算机处理能力),但是对于网络而言,验证块是否有效非常容易。
这些都是通过所谓的 哈希函数,可为给定的数据段创建唯一的数字指纹。 由于哈希值对更改非常敏感,即使进行很小的修改也会导致完全不同的哈希输出,因此哈希值可用于验证和保护块。
为了使一个区块被确认为有效区块,矿工必须创建两个哈希:一个区块中所有交易的哈希,以及一个哈希证明他们已经通过解决一个特殊的密码难题,从而消耗了生成区块所需的能量。设定水平 困难。 具体来说,难题是找到一个数字,该数字与交易中的数据结合并通过哈希算法传递时,得出一个数字,该数字在加密货币程序设置的指定范围内。
PoW系统会自动调整解决难题的难度,以为添加到区块链的交易区块创建一致的时间段,并向矿工释放网络费用和新创建的加密货币奖励。
哈希是 单向功能。 它不能逆转。 这样,可以确认每个块都需要进行工作才能生成它。 每个块还包含前一个块的哈希,因此一旦将所有块合并到区块链中,几乎就不可能对其进行修改,因为这样做将需要重做所有工作以生成区块链中的每个块。
总而言之,矿工创建了一个有效的交易块,然后在其上运行PoW算法以找到有效的哈希,与所有其他矿工进行竞争以首先解决难题。 通过此类操作生成有效区块后,该区块将被添加到区块链中,并且矿工将获得网络费用以及新创建的加密货币。
PoW共识机制使用了不同的哈希算法,其中最常见的是 SHA-256 (例如 比特币 ) 以及 Scrypt (例如莱特币)。 其他包括 SHA-3, CryptoNight, 布雷克256, 夸克, scrypt-简 以及使用多个哈希函数的混合系统。
尽管从理论上讲PoW几乎不可能被破解,因为它使用了物理世界中的资源来保护网络的安全,但这也是其最大的批评之一:使用的资源是电力,其中很多是电力。
实际上,科学杂志 主板副报道说,单笔比特币交易使用的电力可以为1.6个美国家庭供电一天。 到2020年,比特币的耗电量可能相当于整个丹麦国家的电量。 那只是一种加密货币(尽管最受欢迎)。
从效率和环境的角度来看,这不是理想的,并且很难扩展到主流用途。 更糟糕的是,保持采矿竞争力所需的计算能力和电力成本随着时间的推移而急剧增加。 由于只有最大,最强大的组织才能真正竞争,因此这在采矿网络中产生了明显的集中化。
现在,一些大公司和矿池主导着最受欢迎的区块链,这完全违背了区块链创立的去中心化原则。
除了此问题的道德问题之外,集中化还导致潜在的安全问题,即51%攻击。 这是矿工(可能是泳池或大型企业集团)控制着区块链网络51%的计算能力的时候。 如果发生这种情况,他们可能会通过使真实交易无效或验证自己的欺诈交易来“双重花费”资金(多次使用同一笔资金)来破坏整个网络。
幸运的是,PoW的这些问题并非没有潜在的解决方案。
PoS基于这样的假设:当网络中的节点是涉众时(即,当他们拥有给定区块链的货币时),他们将有动力在运营网络节点中保持诚实和良性。
矿工通过PoS锁定自己的某些加密货币,因此不能将其用于特殊的“抵押”账户。 然后,已放权令牌的节点可以像在PoW系统中一样验证事务块,但是验证块所需的密码计算要简单得多(因此所需的计算机功能要少得多)。 PoS系统不是像PoW那样使用复杂的谜题来为更强大的计算机带来好处,而是构造为使拥有更多加密货币的节点更有可能解决密码谜题。
这样,尽管PoS比PoW更有效率,但它不能完全解决采矿权集中化的问题,因为从逻辑上讲,这种系统使用的货币仍将集中在越来越少的手中。
PoS的另一个关键问题之一是“一无所获”问题,在这种情况下,如果发生分叉(区块链分为两部分),矿工可以通过投票投票多个区块链历史而失去任何利益。 如果发生分叉,对于矿工来说,最有利可图的策略是在每条链上进行挖掘,因此无论网络识别出哪个分叉,都能获得奖励。
从理论上讲,这可能会导致网络永远无法达成共识,或者使攻击者能够发送交易,然后从交易背后的一个区块启动区块链的一个分支,然后将钱发送给自己,而不是使攻击者加倍支出它发送到哪里。 在PoS系统中,这比PoW更有可能,因为在多个链上工作的成本要低得多。
PoS确实有助于缓解的一个问题是51%的问题。 即使矿工拥有51%的加密货币,攻击拥有他们大部分股份的系统也不符合他们的利益。 当然,这并未考虑到恶意的,资金充裕的参与者,他们可能只是想不惜一切代价关闭区块链网络。
使用这种共识机制的区块链的一些例子是NEO,Stellar和Cardano。
在传统的PoS中,余额小的矿工不太可能开采区块,就像计算机能力小的PoW矿工不太可能开采区块一样。 这不仅被认为不太公平,而且还可能导致网络安全性降低,因为如果更好地激励小型矿工,网络将拥有更多节点,因此更加安全。
LPoS允许功能较弱的节点将其加密货币余额租借给拥有更多抵押令牌并因此更有可能挖掘有效区块的“权益节点”,从而激励它们。 租给此类节点的所有硬币都会增加放样节点的“权重”,从而增加其向区块链添加区块的机会。 放样节点收到的奖励随后在所有租户之间按比例共享。 租户仍然可以随时移动或花费其代币,因此可以说自动地“打破了租约”。
通过这种方式,可以通过允许所有节点都有获得采矿奖励的潜力来更好地限制采矿和/或货币权力集中化的问题。
使用此类共识算法的项目的主要示例是Waves。
在DPoS中,加密货币代币持有人使用其余额选择一个节点列表,这些节点将能够放样区块以添加到区块链中。 例如,利用尚未发布的EOS区块链,网络将选举出21个“区块生产者节点”。
尽管这解决了一些问题,例如可能发生分叉(所有节点都不会切换到尚未在15个生产者节点中的21个最终确定的分叉),以及PoW和PoS(DPoS区块链)发生的可伸缩性问题从定义上讲,它是更加集中的,并且不为任何人提供可访问的入口点来挖矿并获得奖励。
使用这种共识机制的项目包括Bitshares和EOS。
区块链不必仅仅满足一种共识机制。 最受欢迎的混合链类型是PoW / PoS混合,通常以有限的方式使用初始PoW共识,然后使用PoS验证添加到区块链的区块。 使用PoS可以解决51%的攻击问题,同时消耗更少的能源。 PoW在确保另一层区块链不变性的同时解决了无处不在的问题。
Peercoin是使用这种混合方法的一个区块链。
PoI与PoS相似,但是共识机制还考虑了其他因素,以使节点在挖掘块中具有优势。
例如,使用NEM(第一个实施PoI的区块链),节点在网络中的生产率得到了回报,其中包括它们的余额,交易数量和价值以及其他“声誉”因素。
在这种共识机制中,每个节点都发布一个公共密钥。 通过该节点的事务由该节点签名并进行验证,并且一旦在网络内达到足够的相同响应,就可以通过该事务有效来达成共识。 这种简单的机制不需要任何散列功能,对于存储系统特别有用。
PBFT有两个潜在的问题。 首先,所有参与方必须在可信参与者的确切列表上达成一致。 其次,这种协议系统的成员资格通常由中央机构设置。 尽管这些因素可能使其不适用于公共分散式加密货币,但对于诸如私有数字资产持有平台之类的其他事物也可能有用。
PBFT是Hyperledger使用的共识机制。
在区块链问世之前,尚无切实可行的方法来确保分布式网络(例如,数字货币分类帐)中的数据能够安全地免受恶意或受感染节点的篡改。 随着比特币和PoW的诞生,新一代的程序员和工程师开始着手解决这一问题。
结果,许多共识机制如雨后春笋般涌现,大多数目的是解决同一(拜占庭将军)问题。 由于区块链仍然是一个相对较新的领域,目前尚不清楚哪种共识机制将证明自己最有用,哪些共识机制将不受欢迎。 就目前而言,不同的共识机制是区分不同加密货币的基本因素之一。
资料来源:https://unhashed.com/cryptocurrency-coin-guides/blockchain-consensus-mechanisms/
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