區塊鏈技術中的共識機制研究

發布時間：2020-03-17所屬分類：計算機職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘 要 ：區塊鏈作為比特幣系統中的底層技術受到了廣泛關注，是解決分布式系統一致性問題的一種可行方法。區塊鏈技術的核心是如何實現共識。良好的共識機制可提升系統性能，促進區塊鏈技術的應用。文章從現有區塊鏈技術中的共識機制出發，對工作量證明、權益

　　摘 要 ：區塊鏈作為比特幣系統中的底層技術受到了廣泛關注，是解決分布式系統一致性問題的一種可行方法。區塊鏈技術的核心是如何實現共識。良好的共識機制可提升系統性能，促進區塊鏈技術的應用。文章從現有區塊鏈技術中的共識機制出發，對工作量證明、權益證明和拜占庭一致性協議等基本共識機制進行總結，從安全性、彳廣展性、性能效率等方面對這些共識機制進行評價。未來區塊鏈上共識機制的研究將根據各共識機制的不同特點，圍繞不同共識機制的組合展開設計。

　　關 鍵 詞 ：區塊鏈;共識機制;工作量證明;權益證明;拜占庭一致性

　　0 引言

　　區塊鏈技術最初由中本聰在《比特幣：一 種 P2P 電子現金支付系統》11] 一文中提出，為解決分布式系統的一致性問題帶來新的技術思想。共識機制是分布式系統的核心。在 P2P 網絡中，互相不信任的節點通過遵循預設機制最終達到數據的一致性稱為共識。區塊鏈技術設計的關鍵是共識機制的設計，目的在于如何解決區塊鏈的安全性、擴展性、性能效率和能耗代價等問題。區塊鏈技術上支持的典型共識機制有工作量證明(_ Proof of Work)、權益證明 (_ Proof of Stake) 和拜占庭一致性協議等機制，也包括不同機制的相互結合

　　1 比特市與區塊鏈技術概述

　　1.1比特幣的運行機制

　　2 0 0 8年，中本聰發表《比特幣：一 種 P2P 電子現金支付系統》m，提出在交易中去掉銀行這一中心機構，在 P2P 網絡中實現基于工作量證明的、去中心化的、分布式匿名電子現金支付系統。用戶的支付行為通過交易來完成。交易只記錄貨幣的流向，每枚貨幣的產生和每次交易都是可追溯的。如何監測和防止二次支付行為是支付系統最根本的 安 全 性 問 題 ' 比特幣系統通過全網所有節點共同維護區塊鏈來防止二次支付。比特幣是區塊鏈技術的第一個應用實例，比特幣的興起引發了世界各界的廣泛關注>7]。

　　用戶發起一次交易，廣播對該交易的簽名，之后等待礦工驗證交易并將這筆交易記錄到區塊鏈中。礦工在當前區塊鏈狀態下挖礦，挖礦的過程就是完成工作量證明的過程工作量證明完成之后產生的新區塊包含上一個區塊的哈希值、接收到的待確認有效交易集合以及時間戳等信息。隨后，礦工廣播該區塊，等待其他礦工對該區塊進行驗證并在其后繼續挖礦產生后續區塊。當該區塊連接了一定數量的后續區塊之后，就可以極高的概率相信這個區塊已被寫人整個網絡的區塊鏈中，其包含的交易被最終確認。

　　1.2區塊鏈技術

　　1.2.1基本概念

　　《中國區塊鏈技術和應用發展白皮書(2016)》從應用角度將區塊鏈技術看作是互聯網時代的創新應用模式 ' 是一種去中心化、公開透明、用于存儲交易等信息的數據庫，可應用于分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術領域。區塊中存儲交易等信息，區塊之間如后相繼，形成一條鏈，共問存儲一系列有序父易圖 1 以比特幣系統為例，介紹底層區塊鏈的數據結構。由于上層共識機制不同，相應的區塊鏈數據結構也略有不同

　　也可以將區塊鏈看作是一種分布式數據庫。與分布式數據庫不同之處在于，區塊鏈技術中的每一個節點保存的區塊鏈前綴部分都是完全相同的，僅區塊鏈末端有所差異。

　　區塊鏈本身的數據結構和共識機制使得其具有防篡改的性質。區塊之間都通過密碼學證明的方法連接在一起。當主區塊鏈具有足夠長度時，若對其中的某一區塊內容進行增加、修改、刪除等操作，其后所有區塊都將受到影響，由此就破壞了前后相繼的鏈式結構。此時，就必須通過一系列的密碼學證明對后續區塊進行修改。如果被篡改區塊處于主區塊鏈中靠前的位置，則篡改區塊的代價要遠超篡改者所具有的能力和篡改后可獲得的利益。

　　在區塊鏈中，除了區塊之間的連續性外，數據的每一次變更都通過合法的數字簽名存儲在區塊鏈上。區塊鏈上記錄著一條數據從產生到消亡之間的每一次修改，提供了數據的可追溯性。數據可追本溯源也間接保證了數據的公開透明性。

　　1 .2 .2 應 用 場 景

　　由于區塊鏈技術具有去中心化、防篡改、可追溯等特點，吸引了各國政府的高度關注。國內外科研機構和科技金融公司也紛紛展開了對區塊鏈理論研究和實際應用的探索。 2〇15 年，Linux基金發起超級賬本(_ Hyperledger)開源項目[4]，提供開放式的區塊鏈應用開發平臺，推進區塊鏈技術的研究。世界經濟論壇在 2016年金融服務會議上對如何借助區塊鏈技術重塑金融服務進行了分析和展望15]。我國央行也關注區塊鏈和數字貨幣的發展16]，開始嘗試利用區塊鏈技術設計數字票據交易平臺原型。

　　目前，區塊鏈技術與金融行業相結合的項目眾多 ' 尤其是第二代區塊鏈技術智能合約(_ Smart Contract)問提出以后，區塊鏈技術在解決跨機構跨行業的金融支付、結算、清算業務中的優勢日漸突出。此外，區塊鏈技術在金融服務、供應鏈服務、公共服務、公共慈善和物聯網等多個領域都具有極大的潛在價值。表 1 是區塊鏈技術在部分行業中的應用場景。

　　1.3共識機制

　　1.3.1基本概念

　　區塊鏈作為一種按時間順序存儲數據的數據結構，可支持不同的共識機制。共識機制是區塊鏈技術的重要組件區塊鏈共識機制的目標是使所有的誠實節點保存一致的區塊鏈視圖，同時滿足兩個性質p]:

　　1) 一致性。所有誠實節點保存的區塊鏈的前綴部分完全相同。

　　2 ) 有效性。由某誠實節點發布的信息終將被其他所有誠實節點記錄在自己的區塊鏈中

　　1.3.2評價標準區塊鏈上采用不同的共識機制，在滿足一致性和有效性的同時會對系統整體性能產生不同影響。綜合考慮各個共識機制的特點，從以下4 個維度評價各共識機制的技術水平：

　　1 ) 安全性。即是否可以防止二次支付、 自私挖礦 ™ 等攻擊，是否有良好的容錯能力。以金融交易為驅動的區塊鏈系統在實現一致性的過程中，最主要的安全問題就是如何防止和檢測二次支付行為。 自私挖礦通過采用適當的策略發布自己產生的區塊，獲得更高的相對收益，是一種威脅比特幣系統安全性和公平性的理論攻擊方法。此外， Eclipse攻 擊 111]控制目標對象的網絡通信，形成網絡分區阻隔交易傳播。SybU攻 擊 M 通過生產大量無意義的節點影響系統安全性。

　　2 ) 擴展性。即是否支持網絡節點擴展113]。擴展性是區塊鏈設計要考慮的關鍵因素之一。根據對象不同，擴展性又分為系統成員數量的增加和待確認交易數量的增加兩部分擴展性主要考慮當系統成員數量、待確認交易數量增加時，隨之帶來的系統負載和網絡通信量的變化，通常以網絡吞吐量來衡量D

　　3 ) 性能效率。即從交易達成共識被記錄在區塊鏈中至被最終確認的時間延遲，也可以理解為系統每秒可處理確認的交易數量。與傳統第三方支持的交易平臺不同，區塊鏈技術通過共識機制達成一致，因此其性能效率問題一直是研究的關注點。比特幣系統每秒最多處理7 筆交易，遠遠無法支持現有的業務量。

　　4 ) 資源消耗。即在達成共識的過程中，系統所要耗費的計算資源大小，包 括 CPU、內存等。區塊鏈上的共識機制借助計算資源或者網絡通信資源達成共識。以比特幣系統為例，基于工作量證明機制的共識需要消耗大量計算資源進行挖礦，提供信任證明完成共識。

　　2 現有的共識機制

　　2.1工作量證明

　　最初提出工作量證明機制是為了防止垃圾郵件114]。在比特幣系統中，采用工作量證明機制保證所有節點對一個待確認交易集合達成一致。只有完成工作量證明的節點才能提出這一階段的待定區塊，之后網絡中的節點在這個區塊后繼續嘗試完成工作量證明，產生新的區塊。當某一節點收到兩個不同的待定區塊時，選擇鏈更長的那個區塊進行驗證。鏈越長意味著該鏈所包含的工作量越多。

　　工作量證明通常包含3 個算法 115]:產生挑戰c 的隨機算法、生 成 5 解決挑戰C的算法和驗證挑戰C是否被解決的算法。工作量證明機制中用到的隨機算法都是基于計算問題的。在比特幣系統中，用于產生挑戰C的隨機算法是基于SHA- 2 5 6的，挑 戰 C 由當前區塊鏈的狀態決定，解決 挑戰c 就是尋找一個使得其與挑戰 c 通 過 SHA-256 可以映射到一個以連續幾個 0 開頭的二進制困難系數上，表不為 工作量證明機制所選取的計算問題要滿足如下性質：

　　1 ) 偽隨機性。保證節點完成工作量證明的概率僅依賴于自身所占有的計算資源的比例，保證相對公平性。

　　2 ) 難度可控。所選取的計算問題可根據近期網絡計算資源波動進行適度調整，保證系統有效運行。計算問題難度過高，則生成區塊的時間間隔過長，影響系統效率;難度太低，則完成工作量證明過于容易，會產生分叉，影響系統一致性。

　　3 ) 可公開驗證。由于去中心化的性質，要求計算問題的求解結果可通過簡潔的操作公開驗證。

　　采用工作量證明機制可以實現區塊鏈的一致性。當區塊鏈很長時，除了結尾的幾個區塊，其余已得到全網確認，實現了一致性。節點可自由加人區塊鏈，節點的加人或撤離不會影響區塊鏈的一致性和安全性。每個節點完成工作量證明的概率由它所擁有的計算資源決定，攻擊者無法通過創建多個公鑰地址來提高自己完成工作量證明的概率，這樣可以有效抵御Sybn攻擊。同時在誠實方擁有的計算資源占多數的情況下，可有效抵御二次支付，保證系統的安全性。

　　相關期刊推薦：《計算機科學》主要報導國內外計算機科學與技術的發展動態，涉及面廣的方法論與技術，和反映新苗頭、能起承先啟后作用的研究成果。內容涉及程序理論、計算機軟件、計算機網絡與信息、數據庫、人工智能、人機界面、國際會議、應用等。雜志報導特點是“前沿學科”與“基礎研究”相結合;“核心核術”與“支撐技術”相結合;“倡導”與“爭鳴”相結合。

　　然而，工作量證明機制也存在一些問題。首先，工作量證明機制存在嚴重的效率問題。每個區塊的產生需要耗費時間，同時新產生的區塊需要后續區塊的確認才能保證有效，這需要更長的時間，嚴重影響系統效率。例如，比特幣系統平均1 0分鐘產生一個區塊，需等待 6 個后續區塊進行確認，這樣對于一個交易，需等待近 6 0 分鐘才能保證被確認。其次，工作量證明機制的安全性要求攻擊者所占的計算資源不超過全網的509^，然而從目前比特幣礦池挖礦算力情況來看，算力排名前 5 的礦池的總的算力所占比例已經過半116]，對系統的安全性和公平性造成嚴重威脅第三，工作量證明過程通常是計算一個無意義的序列，需要消耗大量計算資源、電力能源，造成浪費，即使后來提出的有用的工作量證明機制(_ Proof of Useful Work) [15]嘗試通過求解正交向量、3SUM、最短路徑等問題，代替尋找無意義的二進制數來抵消需要消耗的資源，仍無法解決效率等問題。