什么是共识?
共识协议是一种区块链机制,可确保节点之间的同步,并就交易和区块达成一致,将其视为合法并添加到区块链中。这些是维护网络单一状态并协调所有分布式节点的容错方法。
拥有共识机制的目的是验证和验证交易,从而确保区块链网络的完整性保持不变。共识是就什么是可以接受的、什么是不可以接受的达成一致!在创建不可变账本并将其添加到网络块之前。网络上已获得验证交易(或区块)权利的任何或所有节点都可以达成共识。根据适合所使用的网络和共识协议的术语,这些节点被称为验证者或矿工或验证者。该博客讨论了共识机制的必要性,并阐明了分析和得出适合区块链网络的共识协议的过程。
为什么需要共识机制?
工业革命的第四次迭代正在将现代工业从几十年前手动的单纯数字化版本转变为高效自动化、安全且强大的去中心化网络物理系统。今天,我们的目标是引入更好的技术工具,能够实现无需信任和无需许可的产品和服务网络,这些产品和服务网络更加高效,并且针对 Web4 和其他新兴技术进行了更好的设计。
它们的实现是为了确保网络的单一状态并且所有节点都连接到正确的网络。共识机制是确保去中心化账本(区块链形式)的安全性和真实性的单一控制身份。只有在通过区块链特定机制进行身份验证和验证以就交易的正确性达成一致之后,交易块才会添加到现有的区块链中。通过添加区块来扩展链必须达成共识,其中每个区块都是交易的集合。正是链条的增长才保持了网络的功能。共识机制确保交易保持可访问性并且系统保持透明。共识算法消除第三方中介,保证交易的正确性。随着共识在链中实现全局交易状态,所有节点/对等点都可以相互信任。这会引起网络的容错。
在区块链中,分布式账本以去中心化的方式进行管理。在某些链中,多个独立节点负责维护区块链,而在其他链中,共识更多的是自动化性质,节点仅负责提交或提议交易。正是由于共识机制,通过考虑异构网络节点和组件的利益相关者之间达成一致的事实,用户体验得到了增强。
选择共识机制
区块链技术的演进伴随着共识机制的一致演进和创新。共识协议可能有很多目标,如维护安全、合作、平等的节点权利、区块链治理、一定比例的节点参与等。这些共识目标构成了审查任何区块并验证其添加到链上以达成共识的前提。网络中的下一个稳定、可靠和安全的状态。
要得出任何共识机制,了解区块链的优先级和框架非常重要。除此之外,还需要了解共识机制所需的架构、底层功能和主要组件。此后可以得出适合区块链的共识方法。以下是在评估区块链上采用的共识机制时考虑的一些主要特征。
分析应用程序的共识算法
● 区块链类型
根据采用区块链的应用程序或系统的属性,区块链的控制量和可访问性分为私有、公共或联盟。共识机制必须保持一致,同时保证区块链的安全性和完整性。
● 去中心化治理
当网络由分布在网络中的参与者治理时,首先确保区块链不会最终受到集中控制,从而导致由一小部分用户的利益驱动的垄断治理,其次确保通过分布式共识做出的所有决策都是正确的。旨在使区块链受益并维护其安全性和完整性的共同目标。
● 可扩展性和攻击
任何区块链都必须是可扩展的。像 PoW 这样的共识需要高计算能力,因此无法自由扩展。旨在全球采用的区块链必须具有可扩展性,而像 PoT 和 ELASTICO 这样的共识机制就是为了帮助实现这一点而设计的。
可扩展性伴随着区块链变得更容易受到攻击的权衡,因此应该仔细选择区块链治理和共识以确保高安全性。
● 对手容忍模型
任何网络都无法避免故障。每个区块链同样容易受到两种主要故障的影响——崩溃和拜占庭故障,这将进一步讨论。保护区块链免受恶意操作应嵌入区块链的治理和共识模型中。共识机制必须确保区块链通过攻击和漏洞保持稳健性。
共识机制可以帮助区块链避免此类攻击,甚至在发生任何此类攻击时无缝恢复,这是有助于推断为什么特定共识机制可能适合或不适合区块链的另一种措施。
● 性能参数
数字化和全球化已经增加了任何垂直行业发生的交易数量。多年来,区块链也从每天处理几笔交易发展到在几秒钟内处理完整的区块。因此,需要实时交易处理和最终确定的用例也需要这样的共识机制。这种共识机制需要验证者节点不间断的可用性。
带宽、延迟和吞吐量是使区块链可靠的需要监控的基本参数。区块链必须保持高吞吐量和低延迟值。它必须支持能够处理其想要吸引的流量的带宽。 DPoS、PoET 和 Tendermint 等机制支持高可扩展性和吞吐量。
● 通信模型的复杂性
根据响应时间,共识协议必须能够满足通信要求。无论是同步(低响应时间)还是异步(高响应时间),应用程序决定哪种通信和哪种共识协议最适合特定用例。
从多个分布式节点收集共识是一项繁琐的任务。从提出将一个区块添加到链中到添加该区块并且所有节点都到达区块链的更新状态,这个过程既不顺利也不可预测。对于具有大量交易和验证就绪块的区块链来说,承认和管理相同内容的共识机制非常重要。
● 法定人数结构
对于强制执行一致操作的分布式系统,必须有最低数量或百分比的节点同意,才能将块视为有效并添加到链中。对于任何区块链来说,具有强制去中心化和分布式共识的仲裁结构的共识算法都是更可取的。
● 能源需求
全球关注的一个主要问题是共识的能源需求和排放率。如今,大多数应用程序和用户都持怀疑态度,并倾向于选择对已经日益恶化的环境质量影响较小的共识机制。
目前,在 PoW 上运行的最大、最古老的区块链需要极高的计算能力,被认为对环境最不利,焦点已转向 PoS、PoB 和 PoC 等更好的机制。
● 挖矿及共识类
基于网络的规模可以得出共识协议。具有大量分布式节点的网络倾向于基于证明的共识,而较小的网络则倾向于基于投票行为的共识机制。但这是相当初级的。更重要的是共识机制采用什么运作方式。共识机制大致分为以下几类:
- 基于证明的 :依赖于验证者基于计算能力、燃烧能力、财富、内存等参数的证明。
- 基于能力 :这些旨在减少能源需求,但存在一个固有缺陷,即基于所考虑的能力,容易集中化。
- 基于投票 :通过投票选出矿工来提议、生成和提交一个区块。补选很大程度上解决了集权问题。此外,选民也会考虑基于证据的要求。不过,这种机制可能会间接受到以下影响:
a)所示。 碰撞故障:使所选节点过载验证任务,并且在所选验证端出现故障时没有任何备份机制。
b)所示。 拜占庭断层:这是一个微妙的错误,尽管共识可能集中在几个节点内,但人们认为存在虚假的共识分布。
● 共识最终确定
交易最终性有两大类——绝对性和概率性。概率共识可能会回滚事务,这些事务不能稍后在同一个块中提交,因此将重新生成并重新验证以提交到块中。这里,响应时间是影响共识机制确定的因素,无论是概率性的还是绝对性的。如今,只有瑞波币和 DBFT 提供绝对的确定性。共识的主要目标是维护区块链真实的全局状态,消除一个或多个节点的既得利益,并有一个专门的目标来维护数据的隐私。区块链必须始终保持在每个节点都同意的状态,即处于无可置疑的完整性的永久状态。
● 攻击
全球可访问性和透明度使区块链极易受到威胁。处理金融贸易的共识机制应该帮助用户降低风险,同时将资产控制权掌握在所有者手中。链中全局状态的实现及其维护会引起节点和对等点之间的信任。
根据区块链容易受到的安全攻击的类别,可以采用共识机制在区块链上添加一层安全性。 RAFT、PoB 和 PoA 是能够抵御 DDos 攻击的几种协议,而 PoT 和 Ripple 在抵御 Sybil 攻击方面表现强劲。
在共识机制最终确定之前,还需要考虑更多因素,其中可能包括实现方法、标记化和算法的强度。
没有任何参数可以单独影响任何特定共识机制的选择。这些参数的组合会影响共识机制在通过该区块链开发的各种应用程序中的执行方式。
混合共识
在不损害共识机制的独特特征(如可扩展性、安全性、去中心化和无需许可的快速操作)的情况下,共识机制可以组合起来形成适合特定用例的共识。混合的目的是充分利用公共区块链和私有区块链。合并是由所采用的个人共识的兼容性主持的。由此产生的是一个混合区块链,它经历了来自外部网络的更严格的可见性限制和更顺畅的内部处理。
混合可能不会应用于区块链本身,而是应用于区块链之上的第二层,即部署大多数应用程序的功能层。虽然这里添加了第二层审查和功能,但它减轻了主区块链的负担。这不能与 Solana 使用的双重共识机制进行比较,Solana 的共识是基于 PoH 管道化区块,同时通过 PoS 完成验证。它是一个独立的区块链,在两个不同时间采用两种同意机制。
迁移到另一个共识机制
以太坊从 PoW 迁移到 PoS 引起了很大轰动。这不是一个顺利的过程。除了努力和能力之外,过渡阶段还受到巨大漏洞的困扰,因此需要额外的努力来防范 Sybil 和其他攻击。以太坊本身已经分阶段做到了这一点,一旦区块链成为公共区块链,就不会停止周围发生的交易和区块的生成。以太坊上的迁移已分阶段进行,直到撰写本文时,此 PoW 与 PoS 并行运行。尽管以太坊已经证明迁移的机制和考虑因素超出了本博客的范围,但它同时是可能的和复杂的。
共识的未来
数字化的未来以区块链为中心,因此共识机制正在受到审查。每个新的区块链都在试图超越已经完成的事情。 Solana 引入了一套全新的协议,例如海平面和云中断,以挑战流行的区块链。它确实从中受益并很快就获得了有竞争力的知名度。但目标不仅仅是单一区块链或最佳共识机制。目标是达到一定程度的合作,使各个区块链可以发挥作用,货币或任何数字交易都可以不受底层架构或区块链或治理共识机制的限制。元宇宙,最终的单一数字空间距离各个区块链无缝集成以形成协同联盟还很遥远。
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