paxos演算法比特幣

⑴ 區塊鏈技術是什麼未來可能用於哪些方面

技術的發展，往往超乎你的想像，從農耕革命到工業革命再到信息革命，截止到現在開啟了區塊鏈革命。達到認知革命的高度，應該算是一個比較大的命題，為什麼之前的互聯網、大數據、人工智慧等等它們的出現並沒有提到認知革命的地步,而區塊鏈就可以？

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⑵ 區塊鏈的核心技術是什麼

簡單來說，區塊鏈是一個提供了拜占庭容錯、並保證了最終一致性的分布式資料庫；從數據結構上看，它是基於時間序列的鏈式數據塊結構；從節點拓撲上看，它所有的節點互為冗餘備份；從操作上看，它提供了基於密碼學的公私鑰管理體系來管理賬戶。
或許以上概念過於抽象，我來舉個例子，你就好理解了。
你可以想像有 100 台計算機分布在世界各地，這 100 台機器之間的網路是廣域網，並且，這 100 台機器的擁有者互相不信任。
那麼，我們採用什麼樣的演算法（共識機制）才能夠為它提供一個可信任的環境，並且使得：
節點之間的數據交換過程不可篡改，並且已生成的歷史記錄不可被篡改；
每個節點的數據會同步到最新數據，並且會驗證最新數據的有效性；
基於少數服從多數的原則，整體節點維護的數據可以客觀反映交換歷史。
區塊鏈就是為了解決上述問題而產生的技術方案。
二、區塊鏈的核心技術組成
無論是公鏈還是聯盟鏈，至少需要四個模塊組成：P2P 網路協議、分布式一致性演算法（共識機制）、加密簽名演算法、賬戶與存儲模型。
1、P2P 網路協議
P2P 網路協議是所有區塊鏈的最底層模塊，負責交易數據的網路傳輸和廣播、節點發現和維護。
通常我們所用的都是比特幣 P2P 網路協議模塊，它遵循一定的交互原則。比如：初次連接到其他節點會被要求按照握手協議來確認狀態，在握手之後開始請求 Peer 節點的地址數據以及區塊數據。
這套 P2P 交互協議也具有自己的指令集合，指令體現在在消息頭（Message Header) 的 命令（command）域中，這些命令為上層提供了節點發現、節點獲取、區塊頭獲取、區塊獲取等功能，這些功能都是非常底層、非常基礎的功能。如果你想要深入了解，可以參考比特幣開發者指南中的 Peer Discovery 的章節。
2、分布式一致性演算法
在經典分布式計算領域，我們有 Raft 和 Paxos 演算法家族代表的非拜占庭容錯演算法，以及具有拜占庭容錯特性的 PBFT 共識演算法。
如果從技術演化的角度來看，我們可以得出一個圖，其中，區塊鏈技術把原來的分布式演算法進行了經濟學上的拓展。
在圖中我們可以看到，計算機應用在最開始多為單點應用，高可用方便採用的是冷災備，後來發展到異地多活，這些異地多活可能採用的是負載均衡和路由技術，隨著分布式系統技術的發展，我們過渡到了 Paxos 和 Raft 為主的分布式系統。
而在區塊鏈領域，多採用 PoW 工作量證明演算法、PoS 權益證明演算法，以及 DPoS 代理權益證明演算法，以上三種是業界主流的共識演算法，這些演算法與經典分布式一致性演算法不同的是，它們融入了經濟學博弈的概念，下面我分別簡單介紹這三種共識演算法。
PoW： 通常是指在給定的約束下，求解一個特定難度的數學問題，誰解的速度快，誰就能獲得記賬權（出塊）權利。這個求解過程往往會轉換成計算問題，所以在比拼速度的情況下，也就變成了誰的計算方法更優，以及誰的設備性能更好。
PoS： 這是一種股權證明機制，它的基本概念是你產生區塊的難度應該與你在網路里所佔的股權（所有權佔比）成比例，它實現的核心思路是：使用你所鎖定代幣的幣齡（CoinAge）以及一個小的工作量證明，去計算一個目標值，當滿足目標值時，你將可能獲取記賬權。
DPoS： 簡單來理解就是將 PoS 共識演算法中的記賬者轉換為指定節點數組成的小圈子，而不是所有人都可以參與記賬。這個圈子可能是 21 個節點，也有可能是 101 個節點，這一點取決於設計，只有這個圈子中的節點才能獲得記賬權。這將會極大地提高系統的吞吐量，因為更少的節點也就意味著網路和節點的可控。
3、加密簽名演算法
在區塊鏈領域，應用得最多的是哈希演算法。哈希演算法具有抗碰撞性、原像不可逆、難題友好性等特徵。
其中，難題友好性正是眾多 PoW 幣種賴以存在的基礎，在比特幣中，SHA256 演算法被用作工作量證明的計算方法，也就是我們所說的挖礦演算法。
而在萊特幣身上，我們也會看到 Scrypt 演算法，該演算法與 SHA256 不同的是，需要大內存支持。而在其他一些幣種身上，我們也能看到基於 SHA3 演算法的挖礦演算法。以太坊使用了 Dagger-Hashimoto 演算法的改良版本，並命名為 Ethash，這是一個 IO 難解性的演算法。
當然，除了挖礦演算法，我們還會使用到 RIPEMD160 演算法，主要用於生成地址，眾多的比特幣衍生代碼中，絕大部分都採用了比特幣的地址設計。
除了地址，我們還會使用到最核心的，也是區塊鏈 Token 系統的基石：公私鑰密碼演算法。
在比特幣大類的代碼中，基本上使用的都是 ECDSA。ECDSA 是 ECC 與 DSA 的結合，整個簽名過程與 DSA 類似，所不一樣的是簽名中採取的演算法為 ECC（橢圓曲線函數）。
從技術上看，我們先從生成私鑰開始，其次從私鑰生成公鑰，最後從公鑰生成地址，以上每一步都是不可逆過程，也就是說無法從地址推導出公鑰，從公鑰推導到私鑰。
4、賬戶與交易模型
從一開始的定義我們知道，僅從技術角度可以認為區塊鏈是一種分布式資料庫，那麼，多數區塊鏈到底使用了什麼類型的資料庫呢？
我在設計元界區塊鏈時，參考了多種資料庫，有 NoSQL 的 BerkelyDB、LevelDB，也有一些幣種採用基於 SQL 的 SQLite。這些作為底層的存儲設施，多以輕量級嵌入式資料庫為主，由於並不涉及區塊鏈的賬本特性，這些存儲技術與其他場合下的使用並沒有什麼不同。
區塊鏈的賬本特性，通常分為 UTXO 結構以及基於 Accout-Balance 結構的賬本結構，我們也稱為賬本模型。UTXO 是「unspent transaction input/output」的縮寫，翻譯過來就是指「未花費的交易輸入輸出」。
這個區塊鏈中 Token 轉移的一種記賬模式，每次轉移均以輸入輸出的形式出現；而在 Balance 結構中，是沒有這個模式的。

⑶ 知鏈區塊鏈金融應用實踐平台成績怎麼算

1. 工作量證明（PoW）
中本聰在2009年提出的比特幣（Bitcoin）是區塊鏈技術最早的應用，其採用PoW作為共識演算法，其核心思想是節點間通過哈希算力的競爭來獲取記賬權和比特幣獎勵。PoW中，不同節點根據特定信息競爭計算一個數學問題的解，這個數學問題很難求解，但卻容易對結果進行驗證，最先解決這個數學問題的節點可以創建下一個區塊並獲得一定數量的幣獎勵。中本聰在比特幣中採用了HashCash[4]機制設計這一數學問題。本節將以比特幣採用的PoW演算法為例進行說明，PoW的共識步驟如下：
節點收集上一個區塊產生後全網待確認的交易，將符合條件的交易記入交易內存池，然後更新並計算內存池中交易的Merkle根的值，並將其寫入區塊頭部；
在區塊頭部填寫如表1.1所示的區塊版本號、前一區塊的哈希值、時間戳、當前目標哈希值和隨機數等信息；
表1.1 區塊頭部信息
隨機數nonce在0到232之間取值，對區塊頭部信息進行哈希計算，當哈希值小於或等於目標值時，打包並廣播該區塊，待其他節點驗證後完成記賬；
一定時間內如果無法計算出符合要求的哈希值，則重復步驟2。如果計算過程中有其他節點完成了計算，則從步驟1重新開始。
比特幣產生區塊的平均時間為10分鍾，想要維持這一速度，就需要根據當前全網的計算能力對目標值（難度）進行調整[5]。難度是對計算產生符合要求的區塊困難程度的描述，在計算同一高度區塊時，所有節點的難度都是相同的，這也保證了挖礦的公平性。難度與目標值的關系為：
難度值=最大目標值/當前目標值 （1.1）
其中最大目標值和當前目標值都是256位長度，最大目標值是難度為1時的目標值，即2224。假設當前難度為，算力為，當前目標值為，發現新區塊的平均計算時間為，則
根據比特幣的設計，每產生2016個區塊後（約2周）系統會調整一次當前目標值。節點根據前2016個區塊的實際生產時間，由公式（1.4）計算出調整後的難度值，如果實際時間生產小於2周，增大難度值；如果實際時間生產大於2周，則減小難度值。根據最長鏈原則，在不需要節點同步難度信息的情況下，所有節點在一定時間後會得到相同的難度值。
在使用PoW的區塊鏈中，因為網路延遲等原因，當同一高度的兩個區塊產生的時間接近時，可能會產生分叉。即不同的礦工都計算出了符合要求的某一高度的區塊，並得到與其相近節點的確認，全網節點會根據收到區塊的時間，在先收到的區塊基礎上繼續挖礦。這種情況下，哪個區塊的後續區塊先出現，其長度會變得更長，這個區塊就被包括進主鏈，在非主鏈上挖礦的節點會切換到主鏈繼續挖礦。
PoW共識演算法以算力作為競爭記賬權的基礎，以工作量作為安全性的保障，所有礦工都遵循最長鏈原則。新產生的區塊包含前一個區塊的哈希值，現存的所有區塊的形成了一條鏈，鏈的長度與工作量成正比，所有的節點均信任最長的區塊鏈。如果當某一組織掌握了足夠的算力，就可以針對比特幣網路發起攻擊。當攻擊者擁有足夠的算力時，能夠最先計算出最新的區塊，從而掌握最長鏈。此時比特幣主鏈上的區塊大部分由其生成，他可以故意拒絕某些交易的確認和進行雙花攻擊，這會對比特幣網路的可信性造成影響，但這一行為同樣會給攻擊者帶來損失。通過求解一維隨機遊走問題，可以獲得惡意節點攻擊成功的概率和算力之間的關系：
圖1.1 攻擊者算力與攻擊成功概率
2. 權益證明（PoS）
隨著參與比特幣挖礦的人越來越多，PoW的許多問題逐漸顯現，例如隨著算力競爭迅速加劇，獲取代幣需要消耗的能源大量增加，記賬權也逐漸向聚集了大量算力的「礦池」集中[6-9]。為此，研究者嘗試採用新的機製取代工作量證明。PoS的概念在最早的比特幣項目中曾被提及，但由於穩健性等原因沒被使用。PoS最早的應用是點點幣（PPCoin），PoS提出了幣齡的概念，幣齡是持有的代幣與持有時間乘積的累加，計算如公式（1.4）所示。利用幣齡競爭取代算力競爭，使區塊鏈的證明不再僅僅依靠工作量，有效地解決了PoW的資源浪費問題。
其中持有時間為某個幣距離最近一次在網路上交易的時間，每個節點持有的幣齡越長，則其在網路中權益越多，同時幣的持有人還會根據幣齡來獲得一定的收益。點點幣的設計中，沒有完全脫離工作量證明，PoS機制的記賬權的獲得同樣需要進行簡單的哈希計算：
其中proofhash是由權重因子、未消費的產出值和當前時間的模糊和得到的哈希值，同時對每個節點的算力進行了限制，可見幣齡與計算的難度成反比。在PoS中，區塊鏈的安全性隨著區塊鏈的價值增加而增加，對區塊鏈的攻擊需要攻擊者積攢大量的幣齡，也就是需要對大量數字貨幣持有足夠長的時間，這也大大增加了攻擊的難度。與PoW相比，採用PoS的區塊鏈系統可能會面對長程攻擊（Long Range Attack）和無利害攻擊（Nothing at Stake）。
除了點點幣，有許多幣也使用了PoS，但在記賬權的分配上有著不同的方法。例如，未來幣（Nxt）和黑幣（BlackCion）結合節點所擁有的權益，使用隨機演算法分配記賬權。以太坊也在逐步採用PoS代替PoW。
3. 委託權益證明（DPoS）
比特幣設計之初，希望所有挖礦的參與者使用CPU進行計算，算力與節點匹配，每一個節點都有足夠的機會參與到區塊鏈的決策當中。隨著技術的發展，使用GPU、FPGA、ASIC等技術的礦機大量出現，算力集中於擁有大量礦機的參與者手中，而普通礦工參與的機會大大減小。
採用DPoS的區塊鏈中，每一個節點都可以根據其擁有的股份權益投票選取代表，整個網路中參與競選並獲得選票最多的n個節點獲得記賬權，按照預先決定的順序依次生產區塊並因此獲得一定的獎勵。競選成功的代表節點需要繳納一定數量的保證金，而且必須保證在線的時間，如果某時刻應該產生區塊的節點沒有履行職責，他將會被取消代表資格，系統將繼續投票選出一個新的代表來取代他。
DPoS中的所有節點都可以自主選擇投票的對象，選舉產生的代表按順序記賬，與PoW及PoS相比節省了計算資源，而且共識節點只有確定的有限個，效率也得到了提升。而且每個參與節點都擁有投票的權利，當網路中的節點足夠多時，DPoS的安全性和去中心化也得到了保證。
4. 實用拜占庭容錯演算法（PBFT）
在PBFT演算法中，所有節點都在相同的配置下運行，且有一個主節點，其他節點作為備份節點。主節點負責對客戶端的請求進行排序，按順序發送給備份節點。存在視圖（View）的概念，在每個視圖中，所有節點正常按照處理消息。但當備份節點檢查到主節點出現異常，就會觸發視圖變換（View Change）機制更換下一編號的節點為主節點，進入新的視圖。PBFT中客戶端發出請求到收到答復的主要流程如圖4.1所示[10] [11]，伺服器之間交換信息3次，整個過程包含以下五個階段：
圖4.1 PBFT執行流程
目前以PBFT為代表的拜占庭容錯演算法被許多區塊鏈項目所使用。在聯盟鏈中，PBFT演算法最早是被Hyper ledger Fabric項目採用。Hyperledger Fabric在0.6版本中採用了PBFT共識演算法，授權和背書的功能集成到了共識節點之中，所有節點都是共識節點，這樣的設計導致了節點的負擔過於沉重，對TPS和擴展性有很大的影響。1.0之後的版本都對節點的功能進行了分離，節點分成了三個背書節點(Endorser)、排序節點(Orderer)和出塊節點(Committer)，對節點的功能進行了分離，一定程度上提高了共識的效率。
Cosmos項目使用的Tendermint[12]演算法結合了PBFT和PoS演算法，通過代幣抵押的方式選出部分共識節點進行BFT的共識，其減弱了非同步假設並在PBFT的基礎上融入了鎖的概念，在部分同步的網路中共識節點能夠通過兩階段通信達成共識。系統能夠容忍1/3的故障節點，且不會產生分叉。在Tendermint的基礎上，Hotstuff[13]將區塊鏈的塊鏈式結構和BFT的每一階段融合，每階段節點間對前一區塊簽名確認與新區塊的構建同時進行，使演算法在實現上更為簡單，Hotstuff還使用了門限簽名[14]降低演算法的消息復雜度。
5. Paxos與Raft
共識演算法是為了保障所存儲信息的准確性與一致性而設計的一套機制。在傳統的分布式系統中，最常使用的共識演算法是基於Paxos的演算法。在拜占庭將軍問題[3]提出後，Lamport在1990年提出了Paxos演算法用於解決特定條件下的系統一致性問題，Lamport於1998年重新整理並發表Paxos的論文[15]並於2001對Paxos進行了重新簡述[16]。隨後Paxos在一致性演算法領域占據統治地位並被許多公司所採用，例如騰訊的Phxpaxos、阿里巴巴的X-Paxos、亞馬遜的AWS的DynamoDB和谷歌MegaStore[17]等。這一類演算法能夠在節點數量有限且相對可信任的情況下，快速完成分布式系統的數據同步，同時能夠容忍宕機錯誤（Crash Fault）。即在傳統分布式系統不需要考慮參與節點惡意篡改數據等行為，只需要能夠容忍部分節點發生宕機錯誤即可。但Paxos演算法過於理論化，在理解和工程實現上都有著很大的難度。Ongaro等人在2013年發表論文提出Raft演算法[18]，Raft與Paxos同樣的效果並且更便於工程實現。
Raft中領導者占據絕對主導地位，必須保證伺服器節點的絕對安全性，領導者一旦被惡意控制將造成巨大損失。而且交易量受到節點最大吞吐量的限制。目前許多聯盟鏈在不考慮拜占庭容錯的情況下，會使用Raft演算法來提高共識效率。
6. 結合VRF的共識演算法
在現有聯盟鏈共識演算法中，如果參與共識的節點數量增加，節點間的通信也會增加，系統的性能也會受到影響。如果從眾多候選節點中選取部分節點組成共識組進行共識，減少共識節點的數量，則可以提高系統的性能。但這會降低安全性，而且候選節點中惡意節點的比例越高，選出來的共識組無法正常運行的概率也越高。為了實現從候選節點選出能夠正常運行的共識組，並保證系統的高可用性，一方面需要設計合適的隨機選舉演算法，保證選擇的隨機性，防止惡意節點對系統的攻擊。另一方面需要提高候選節點中的誠實節點的比例，增加誠實節點被選進共識組的概率。
當前在公有鏈往往基於PoS類演算法，抵押代幣增加共識節點的准入門檻，通過經濟學博弈增加惡意節點的作惡成本，然後再在部分通過篩選的節點中通過隨機選舉演算法，從符合條件的候選節點中隨機選舉部分節點進行共識。
Dodis等人於1999年提出了可驗證隨機函數（Verifiable Random Functions，VRF）[19]。可驗證隨機函數是零知識證明的一種應用，即在公私鑰體系中，持有私鑰的人可以使用私鑰和一條已知信息按照特定的規則生成一個隨機數，在不泄露私鑰的前提下，持有私鑰的人能夠向其他人證明隨機數生成的正確性。VRF可以使用RSA或者橢圓曲線構建，Dodis等人在2002年又提出了基於Diffie-Hellman 困難性問題的可驗證隨機函數構造方法[20]，目前可驗證隨機函數在密鑰傳輸領域和區塊鏈領域都有了應用[21]。可驗證隨機函數的具體流程如下：
在公有鏈中，VRF已經在一些項目中得到應用，其中VRF多與PoS演算法結合，所有想要參與共識的節點質押一定的代幣成為候選節點，然後通過VRF從眾多候選節點中隨機選出部分共識節點。Zilliqa網路的新節點都必須先執行PoW，網路中的現有節點驗證新節點的PoW並授權其加入網路。區塊鏈項目Ontology設計的共識演算法VBFT將VRF、PoS和BFT演算法相結合，通過VRF在眾多候選節點中隨機選出共識節點並確定共識節點的排列順序，可以降低惡意分叉對區塊鏈系統的影響，保障了演算法的公平性和隨機性。圖靈獎獲得者Micali等人提出的Algorand[22]將PoS和VRF結合，節點可以採用代幣質押的方式成為候選節點，然後通過非互動式的VRF演算法選擇部分節點組成共識委員會，然後由這部分節點執行類似PBFT共識演算法，負責交易的快速驗證，Algorand可以在節點為誠實節點的情況下保證系統正常運行。Kiayias等人提出的Ouroboros[23]在第二個版本Praos[24]引入了VRF代替偽隨機數，進行分片中主節點的選擇。以Algorand等演算法使用的VRF演算法為例，主要的流程如下：
公有鏈中設計使用的VRF中，節點被選為記賬節點的概率往往和其持有的代幣正相關。公有鏈的共識節點范圍是無法預先確定的，所有滿足代幣持有條件的節點都可能成為共識節點，系統需要在數量和參與度都隨機的節點中選擇部分節點進行共識。而與公有鏈相比，聯盟鏈參與共識的節點數量有限、節點已知，這種情況下聯盟鏈節點之間可以通過已知的節點列表進行交互，這能有效防止公有鏈VRF設計時可能遇到的女巫攻擊問題。
7. 結合分片技術的公式演算法
分片技術是資料庫中的一種技術，是將資料庫中的數據切成多個部分，然後分別存儲在多個伺服器中。通過數據的分布式存儲，提高伺服器的搜索性能。區塊鏈中，分片技術是將交易分配到多個由節點子集組成的共識組中進行確認，最後再將所有結果匯總確認的機制。分片技術在區塊鏈中已經有一些應用，許多區塊鏈設計了自己的分片方案。
Luu等人於2017年提出了Elastico協議，最先將分片技術應用於區塊鏈中[25]。Elastico首先通過PoW演算法競爭成為網路中的記賬節點。然後按照預先確定的規則，這些節點被分配到不同的分片委員會中。每個分片委員會內部執行PBFT等傳統拜占庭容錯的共識演算法，打包生成交易集合。在超過的節點對該交易集合進行了簽名之後，交易集合被提交給共識委員會，共識委員會在驗證簽名後，最終將所有的交易集合打包成區塊並記錄在區塊鏈上。
Elastico驗證了分片技術在區塊鏈中的可用性。在一定規模內，分片技術可以近乎線性地拓展吞吐量。但Elastico使用了PoW用於選舉共識節點,這也導致隨機數產生過程及PoW競爭共識節點的時間過長，使得交易延遲很高。而且每個分片內部採用的PBFT演算法通訊復雜度較高。當單個分片中節點數量較多時，延遲也很高。
在Elastico的基礎上，Kokoris-Kogias等人提出OmniLedger[26]，用加密抽簽協議替代了PoW選擇驗證者分組，然後通過RandHound協議[27]將驗證者歸入不同分片。OmniLedger。OmniLedger在分片中仍然採用基於PBFT的共識演算法作為分片中的共識演算法[28]，並引入了Atomix協議處理跨分片的交易，共識過程中節點之間通信復雜度較高。當分片中節點數量增多、跨分片交易增多時，系統TPS會顯著下降。
Wang等人在2019年提出了Monoxide[29]。在PoW區塊鏈系統中引入了分片技術，提出了連弩挖礦演算法（Chu ko-nu mining algorithm），解決了分片造成的算力分散分散問題，使得每個礦工可以同時在不同的分片進行分片，在不降低安全性的情況下提高了PoW的TPS。

⑷ Quorum介紹（二）：Quorum共識

我們知道，公共區塊鏈是一個開放的社區，任何人都能夠成為一個節點加入網路，在網路中計算，提交交易到鏈上等，因此公鏈是沒有信任基礎的，所以公鏈的共識第一要義就是證明交易的合法性和真實性，防止惡意成員的搗亂，效率不是第一要義。

與公鏈的環境不同，有準入門檻的企業鏈或者聯盟鏈鏈上的所有成員在加入時實際上是已經獲得了某些認可和許可的，因此企業鏈/聯盟鏈上的成員是有一定信任基礎的。在企業級鏈上我們沒有必要使用POW或者POS這種浪費算力或者低效的交易共識。

Quorum提供了多種共識供用戶採用：

在講Raft前，有必要提一下Paxos演算法，Paxos演算法是Leslie Lamport於1990年提出的基於消息傳遞的一致性演算法。然而，由於演算法難以理解，剛開始並沒有得到很多人的重視。其後，作者在八年後，也就是1998年在ACM上正式發表，然而由於演算法難以理解還是沒有得到重視。而作者之後用更容易接受的方法重新發表了一篇論文《Paxos Made Simple》。

可見，Paxos演算法是有多難理解，即便現在放到很多高校，依然很多學生、教授都反饋Paxos演算法難以理解。同時，Paxos演算法在實際應用實現的時候也是比較困難的。這也是為什麼會有後來Raft演算法的提出。

Raft是實現分布式共識的一種演算法，主要用來管理日誌復制的一致性。它和Paxos的功能是一樣，但是相比於Paxos，Raft演算法更容易理解、也更容易應用到實際的系統當中。而Raft演算法也是聯盟鏈採用比較多的共識演算法。

Raft一共有三種角色狀態：

每個節點上都有一個倒計時器 (Election Timeout)，時間隨機在 150ms 到 300ms 之間。有幾種情況會重設 Timeout：

在分布式系統中，「時間同步」是一個很大的難題，因為每個機器可能由於所處的地理位置、機器環境等因素會不同程度造成時鍾不一致，但是為了識別「過期信息」，時間信息必不可少。

Raft演算法中就採用任期（Term）的概念，將時間切分為一個個的Term（同時每個節點自身也會本地維護currentTerm），可以認為是邏輯上的時間，如下圖。

每一任期的開始都是一次領導人選舉，一個或多個候選人（Candidate）會嘗試成為領導（Leader）。如果一個人贏得選舉，就會在該任期（Term）內剩餘的時間擔任領導人。在某些情況下，選票可能會被評分，有可能沒有選出領導人（如t3），那麼，將會開始另一任期，並且立刻開始下一次選舉。Raft 演算法保證在給定的一個任期最少要有一個領導人。

特殊情況的處理

在以太坊中節點本身並沒有角色，因此在使用Raft共識時，我們稱leader節點為挖礦節點：

Raft共識機制本身保證了同一時間點最多隻有一個leader，因此用在以太坊模型下也只會有一個出塊者，避免了同時出塊或者算力浪費的情況。

在單筆交易(transaction)層級Quorum依然沿用了Ethereum的p2p傳輸機制，只有在塊(block)層級才會使用Raft的傳輸機制。

其中需要注意到一點，在以太坊中一個節點收到塊以後就會立刻記賬，而在Quorum模型中，一個塊的記錄必須遵從Raft協議，每個節點從leader處收到塊以後必須報告給leader確認收到以後，再由leader通知各個節點進行數據提交（記錄）

在Quorum模型中新塊的信息是很有可能和已有塊的header信息不符的，最容易發生這種情況的就是選舉人更替(挖礦節點更替)，具體描述如下：

假設有兩個節點，node1和node2，node1是現有的leader，現有鏈的最新區塊是0xbeda，它的父區塊是0xacaa

對塊「Extends」或者「No-op」的標記是在更上層完成的，並不由raft本身log記錄機制實現。因為在raft內部，信息並不分為有效或無效，只有在區塊鏈層面才會有有效區塊和無效區塊的含義。

需要注意的是，Quorum的這種記賬機制和本身Ethereum的LVC（最長鏈機制）是完全不一樣的

Quorum的出塊頻率默認是50ms一個塊，可以通過 --raftblocktime 參數進行設置

投機性出塊並不是以太坊Raft共識嚴格必須的核心機制之一，但是是提高出塊效率的有效方式。

一個塊從產生到實際被記錄賬本，走完整個raft流程實際上是需要耗費一定時間的。如果我們在上一個塊被計入賬本之後才開始產生下一個塊，那麼一筆交易想要成功被記錄需要耗費較多的時間。

而在投機性(speculative minting)出塊中，我們允許一個新塊在它的父塊被記錄之前就產生。依次類推，在一段時間內，實際上會產生「投機鏈（speculative chain）」，在祖先塊沒有被記錄進賬本之前，一個一個新塊已經依據先後關系組成了一條臨時鏈片段，等待被記錄。

對於已經被記錄進投機塊的交易，我們會在交易池中標記為「proposed transaction」

在之前我們說過，raft機制中是存在兩個挖礦節點比賽出塊和記賬的可能的，因此，一條 speculative chain 中間的某一個塊很有可能不會被記錄到賬本中。在這種情況下我們也會把交易池中的交易狀態修改回來。( InvalidRaftOrdering event)

目前，Quorum並沒有對speculative chain的長度做限制，但在它的未來規劃中有講這一點作為一個性能優化項加入開發進程，最後能夠讓一個挖礦節點即使在raft共識層沒有連接上，它也可以離線一直出塊，產生自己的speculative chain。

一條speculative chain有以下幾個部分構成：

在塊傳輸上我們使用etcd Raft默認的http傳輸，當然使用Ethereum的p2p傳輸也是可以的，但是Quorum團隊在測試階段發現，高負載的狀態下，ETH p2p的性能沒有raft p2p性能好。

Quorum使用50400埠作為Raft 傳輸層的默認監聽埠，也可以通過 --raftport 參數自行設置。

一個集群默認的最大節點個數是25，可以通過 --maxpeers N 來設置，N是你的最大節點個數。

Quorum的IBFT其實就是PBFT，只不過摩根大通把它自己實現的PBFT叫做IBFT，所以IBFT的基本原理與PBFT是一樣的，所不同的是,IBFT中把出塊和共識的三階段結合在了一起。

Istanbul BFT修改自PBFT演算法，包括三個階段： PRE-PREPARE 、 PREPARE 以及 COMMIT 。在 N 個節點的網路中，這個演算法可以最多容忍 F 個出錯節點，其中 N=3F+1 。

Istanbul BFT演算法中的區塊是確定的，意味著鏈沒有分叉並且合法的區塊一定是在鏈中。為了防止一個惡意節點生成不同的鏈，在把區塊插入進鏈 之前 ，每一個validator必須把 2F + 1 個 COMMIT 簽名放進區塊頭的 extraData 欄位。因此，區塊是可以自我驗證的（因為有簽名）並且輕客戶端也支持。

然而動態的 extraData 也會造成區塊的hash計算問題。因為一個區塊可以被不同的validator驗證，所以會有不同的簽名，所以同一個區塊會有不同的hash。解決的方案是，計算區塊hash的時候把 COMMIT 簽名排除在外。因此我們任然可以在保證block hash一致性的同時進行共識驗證。

由於Ethereum POA共識在網上已經有大量介紹，筆者這里就不多做詳細介紹，只對重要特點和POA的工作流程做大致梳理和介紹

⑸ paxos演算法是什麼

Paxos演算法是萊斯利·蘭伯特（Leslie Lamport，就是LaTeX中的＂La"，此人現在在微軟研究院）於1990年提出的一種基於消息傳遞的一致性演算法。這個演算法被認為是類似演算法中最有效的。

蘭伯特提出的Paxos演算法包含2個部分：

一個是Basic Paxos演算法，描述的是多節點之間如何就某個值（提案Value）達成共識；

另一個是Multi-Paxos思想，描述的是執行多個Basic Paxos實例，就一系列值達成共識

可因為蘭伯特提到的Multi-Paxos思想，缺少代碼實現的必要細節（比如怎麼選舉領導者），所以在理解上比較難。Basic Paxos是Multi-Paxos思想的核心。

(5)paxos演算法比特幣擴展閱讀

背景

Paxos演算法解決的問題是一個分布式系統如何就某個值（決議）達成一致。一個典型的場景是，在一個分布式資料庫系統中，如果各節點的初始狀態一致，每個節點執行相同的操作序列，那麼他們最後能得到一個一致的狀態。

為保證每個節點執行相同的命令序列，需要在每一條指令上執行一個「一致性演算法」以保證每個節點看到的指令一致。

一個通用的一致性演算法可以應用在許多場景中，是分布式計算中的重要問題。因此從20世紀80年代起對於一致性演算法的研究就沒有停止過。節點通信存在兩種模型：共享內存（Shared memory）和消息傳遞（Messages passing）。Paxos演算法就是一種基於消息傳遞模型的一致性演算法。

⑹ 區塊鏈的共識機制

一、區塊鏈共識機制的目標

區塊鏈是什麼？簡單而言，區塊鏈是一種去中心化的資料庫，或可以叫作分布式賬本(distributed ledger)。傳統上所有的資料庫都是中心化的，例如一間銀行的賬本就儲存在銀行的中心伺服器里。中心化資料庫的弊端是數據的安全及正確性全系於資料庫運營方（即銀行），因為任何能夠訪問中心化資料庫的人（如銀行職員或黑客）都可以破壞或修改其中的數據。

而區塊鏈技術則容許資料庫存放在全球成千上萬的電腦上，每個人的賬本通過點對點網路進行同步，網路中任何用戶一旦增加一筆交易，交易信息將通過網路通知其他用戶驗證，記錄到各自的賬本中。區塊鏈之所以得其名是因為它是由一個個包含交易信息的區塊（block）從後向前有序鏈接起來的數據結構。

很多人對區塊鏈的疑問是，如果每一個用戶都擁有一個獨立的賬本，那麼是否意味著可以在自己的賬本上添加任意的交易信息，而成千上萬個賬本又如何保證記賬的一致性？ 解決記賬一致性問題正是區塊鏈共識機制的目標 。區塊鏈共識機制旨在保證分布式系統里所有節點中的數據完全相同並且能夠對某個提案（proposal）（例如是一項交易紀錄）達成一致。然而分布式系統由於引入了多個節點，所以系統中會出現各種非常復雜的情況；隨著節點數量的增加，節點失效或故障、節點之間的網路通信受到干擾甚至阻斷等就變成了常見的問題，解決分布式系統中的各種邊界條件和意外情況也增加了解決分布式一致性問題的難度。

區塊鏈又可分為三種：

公有鏈：全世界任何人都可以隨時進入系統中讀取數據、發送可確認交易、競爭記賬的區塊鏈。公有鏈通常被認為是「完全去中心化「的，因為沒有任何人或機構可以控制或篡改其中數據的讀寫。公有鏈一般會通過代幣機制鼓勵參與者競爭記賬，來確保數據的安全性。

聯盟鏈：聯盟鏈是指有若干個機構共同參與管理的區塊鏈。每個機構都運行著一個或多個節點，其中的數據只允許系統內不同的機構進行讀寫和發送交易，並且共同來記錄交易數據。這類區塊鏈被認為是「部分去中心化」。

私有鏈：指其寫入許可權是由某個組織和機構控制的區塊鏈。參與節點的資格會被嚴格的限制，由於參與的節點是有限和可控的，因此私有鏈往往可以有極快的交易速度、更好的隱私保護、更低的交易成本、不容易被惡意攻擊、並且能夠做到身份認證等金融行業必須的要求。相比中心化資料庫，私有鏈能夠防止機構內單節點故意隱瞞或篡改數據。即使發生錯誤，也能夠迅速發現來源，因此許多大型金融機構在目前更加傾向於使用私有鏈技術。

二、區塊鏈共識機制的分類

解決分布式一致性問題的難度催生了數種共識機制，它們各有其優缺點，亦適用於不同的環境及問題。被眾人常識的共識機制有：

l PoW（Proof of Work）工作量證明機制

l PoS（Proof of Stake）股權/權益證明機制

l DPoS（Delegated Proof of Stake）股份授權證明機制

l PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）實用拜占庭容錯演算法

l DBFT（Delegated Byzantine Fault Tolerance）授權拜占庭容錯演算法

l SCP (Stellar Consensus Protocol ) 恆星共識協議

l RPCA（Ripple Protocol Consensus Algorithm）Ripple共識演算法

l Pool驗證池共識機制

（一）PoW（Proof of Work）工作量證明機制

1. 基本介紹

在該機制中，網路上的每一個節點都在使用SHA256哈希函數(hash function) 運算一個不斷變化的區塊頭的哈希值 (hash sum)。 共識要求算出的值必須等於或小於某個給定的值。 在分布式網路中，所有的參與者都需要使用不同的隨機數來持續計算該哈希值，直至達到目標為止。當一個節點的算出確切的值，其他所有的節點必須相互確認該值的正確性。之後新區塊中的交易將被驗證以防欺詐。

在比特幣中，以上運算哈希值的節點被稱作「礦工」，而PoW的過程被稱為「挖礦」。挖礦是一個耗時的過程，所以也提出了相應的激勵機制（例如向礦工授予一小部分比特幣）。PoW的優點是完全的去中心化，其缺點是消耗大量算力造成了的資源浪費，達成共識的周期也比較長，共識效率低下，因此其不是很適合商業使用。

2. 加密貨幣的應用實例

比特幣(Bitcoin) 及萊特幣(Litecoin)。以太坊(Ethereum) 的前三個階段（Frontier前沿、Homestead家園、Metropolis大都會）皆採用PoW機制，其第四個階段 (Serenity寧靜) 將採用權益證明機制。PoW適用於公有鏈。

PoW機制雖然已經成功證明了其長期穩定和相對公平，但在現有框架下，採用PoW的「挖礦」形式，將消耗大量的能源。其消耗的能源只是不停的去做SHA256的運算來保證工作量公平，並沒有其他的存在意義。而目前BTC所能達到的交易效率為約5TPS（5筆/秒），以太坊目前受到單區塊GAS總額的上限，所能達到的交易頻率大約是25TPS，與平均千次每秒、峰值能達到萬次每秒處理效率的VISA和MASTERCARD相差甚遠。

3. 簡圖理解模式

（ps：其中A、B、C、D計算哈希值的過程即為「挖礦」，為了犒勞時間成本的付出，機制會以一定數量的比特幣作為激勵。）

（Ps：PoS模式下，你的「挖礦」收益正比於你的幣齡(幣的數量*天數)，而與電腦的計算性能無關。我們可以認為任何具有概率性事件的累計都是工作量證明，如淘金。假設礦石含金量為p% 質量, 當你得到一定量黃金時，我們可以認為你一定挖掘了1/p 質量的礦石。而且得到的黃金數量越多，這個證明越可靠。）

（二）PoS（Proof of Stake）股權/權益證明機制

1.基本介紹

PoS要求人們證明貨幣數量的所有權，其相信擁有貨幣數量多的人攻擊網路的可能性低。基於賬戶余額的選擇是非常不公平的，因為單一最富有的人勢必在網路中佔主導地位，所以提出了許多解決方案。

在股權證明機制中，每當創建一個區塊時，礦工需要創建一個稱為「幣權」的交易，這個交易會按照一定比例預先將一些幣發給礦工。然後股權證明機制根據每個節點持有代幣的比例和時間（幣齡）， 依據演算法等比例地降低節點的挖礦難度，以加快節點尋找隨機數的速度，縮短達成共識所需的時間。

與PoW相比，PoS可以節省更多的能源，更有效率。但是由於挖礦成本接近於0，因此可能會遭受攻擊。且PoS在本質上仍然需要網路中的節點進行挖礦運算，所以它同樣難以應用於商業領域。

2.數字貨幣的應用實例

PoS機制下較為成熟的數字貨幣是點點幣（Peercoin）和未來幣（NXT），相比於PoW，PoS機制節省了能源，引入了" 幣天 "這個概念來參與隨機運算。PoS機制能夠讓更多的持幣人參與到記賬這個工作中去，而不需要額外購買設備（礦機、顯卡等）。每個單位代幣的運算能力與其持有的時間長成正相關，即持有人持有的代幣數量越多、時間越長，其所能簽署、生產下一個區塊的概率越大。一旦其簽署了下一個區塊，持幣人持有的幣天即清零，重新進入新的循環。

PoS適用於公有鏈。

3.區塊簽署人的產生方式

在PoS機制下，因為區塊的簽署人由隨機產生，則一些持幣人會長期、大額持有代幣以獲得更大概率地產生區塊，盡可能多的去清零他的"幣天"。因此整個網路中的流通代幣會減少，從而不利於代幣在鏈上的流通，價格也更容易受到波動。由於可能會存在少量大戶持有整個網路中大多數代幣的情況，整個網路有可能會隨著運行時間的增長而越來越趨向於中心化。相對於PoW而言，PoS機制下作惡的成本很低，因此對於分叉或是雙重支付的攻擊，需要更多的機制來保證共識。穩定情況下，每秒大約能產生12筆交易，但因為網路延遲及共識問題，需要約60秒才能完整廣播共識區塊。長期來看，生成區塊（即清零"幣天"）的速度遠低於網路傳播和廣播的速度，因此在PoS機制下需要對生成區塊進行"限速"，來保證主網的穩定運行。

4.簡圖理解模式

（PS：擁有越多「股份」權益的人越容易獲取賬權。是指獲得多少貨幣，取決於你挖礦貢獻的工作量，電腦性能越好，分給你的礦就會越多。）

（在純POS體系中，如NXT，沒有挖礦過程，初始的股權分配已經固定，之後只是股權在交易者之中流轉，非常類似於現實世界的股票。）

（三）DPoS（Delegated Proof of Stake）股份授權證明機制

1.基本介紹

由於PoS的種種弊端，由此比特股首創的權益代表證明機制 DPoS（Delegated Proof of Stake）應運而生。DPoS 機制中的核心的要素是選舉，每個系統原生代幣的持有者在區塊鏈裡面都可以參與選舉，所持有的代幣余額即為投票權重。通過投票，股東可以選舉出理事會成員，也可以就關系平台發展方向的議題表明態度，這一切構成了社區自治的基礎。股東除了自己投票參與選舉外，還可以通過將自己的選舉票數授權給自己信任的其它賬戶來代表自己投票。

具體來說， DPoS由比特股（Bitshares）項目組發明。股權擁有著選舉他們的代表來進行區塊的生成和驗證。DPoS類似於現代企業董事會制度，比特股系統將代幣持有者稱為股東，由股東投票選出101名代表， 然後由這些代表負責生成和驗證區塊。 持幣者若想稱為一名代表，需先用自己的公鑰去區塊鏈注冊，獲得一個長度為32位的特有身份標識符，股東可以對這個標識符以交易的形式進行投票，得票數前101位被選為代表。

代表們輪流產生區塊，收益（交易手續費）平分。DPoS的優點在於大幅減少了參與區塊驗證和記賬的節點數量，從而縮短了共識驗證所需要的時間，大幅提高了交易效率。從某種角度來說，DPoS可以理解為多中心系統，兼具去中心化和中心化優勢。優點：大幅縮小參與驗證和記賬節點的數量，可以達到秒級的共識驗證。缺點：投票積極性不高，絕大部分代幣持有者未參與投票；另整個共識機制還是依賴於代幣，很多商業應用是不需要代幣存在的。

DPoS機制要求在產生下一個區塊之前，必須驗證上一個區塊已經被受信任節點所簽署。相比於PoS的" 全民挖礦 "，DPoS則是利用類似" 代表大會 "的制度來直接選取可信任節點，由這些可信任節點（即見證人）來代替其他持幣人行使權力，見證人節點要求長期在線，從而解決了因為PoS簽署區塊人不是經常在線而可能導致的產塊延誤等一系列問題。 DPoS機制通常能達到萬次每秒的交易速度，在網路延遲低的情況下可以達到十萬秒級別，非常適合企業級的應用。 因為公信寶數據交易所對於數據交易頻率要求高，更要求長期穩定性，因此DPoS是非常不錯的選擇。

2. 股份授權證明機制下的機構與系統

理事會是區塊鏈網路的權力機構，理事會的人選由系統股東（即持幣人）選舉產生，理事會成員有權發起議案和對議案進行投票表決。

理事會的重要職責之一是根據需要調整系統的可變參數，這些參數包括：

l 費用相關：各種交易類型的費率。

l 授權相關：對接入網路的第三方平台收費及補貼相關參數。

l 區塊生產相關：區塊生產間隔時間，區塊獎勵。

l 身份審核相關：審核驗證異常機構賬戶的信息情況。

l 同時，關繫到理事會利益的事項將不通過理事會設定。

在Finchain系統中，見證人負責收集網路運行時廣播出來的各種交易並打包到區塊中，其工作類似於比特幣網路中的礦工，在採用 PoW(工作量證明)的比特幣網路中，由一種獲獎概率取決於哈希算力的抽彩票方式來決定哪個礦工節點產生下一個區塊。而在採用 DPoS 機制的金融鏈網路中，通過理事會投票決定見證人的數量，由持幣人投票來決定見證人人選。入選的活躍見證人按順序打包交易並生產區塊，在每一輪區塊生產之後，見證人會在隨機洗牌決定新的順序後進入下一輪的區塊生產。

3. DPoS的應用實例

比特股(bitshares) 採用DPoS。DPoS主要適用於聯盟鏈。

4.簡圖理解模式

（四）PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）實用拜占庭容錯演算法

1. 基本介紹

PBFT是一種基於嚴格數學證明的演算法，需要經過三個階段的信息交互和局部共識來達成最終的一致輸出。三個階段分別為預備 (pre-prepare)、准備 (prepare)、落實 (commit)。PBFT演算法證明系統中只要有2/3比例以上的正常節點，就能保證最終一定可以輸出一致的共識結果。換言之，在使用PBFT演算法的系統中，至多可以容忍不超過系統全部節點數量1/3的失效節點 (包括有意誤導、故意破壞系統、超時、重復發送消息、偽造簽名等的節點，又稱為」拜占庭」節點)。

2. PBFT的應用實例

著名聯盟鏈Hyperledger Fabric v0.6採用的是PBFT，v1.0又推出PBFT的改進版本SBFT。PBFT主要適用於私有鏈和聯盟鏈。

3. 簡圖理解模式

上圖顯示了一個簡化的PBFT的協議通信模式，其中C為客戶端，0 – 3表示服務節點，其中0為主節點，3為故障節點。整個協議的基本過程如下：

(1) 客戶端發送請求，激活主節點的服務操作；

(2) 當主節點接收請求後，啟動三階段的協議以向各從節點廣播請求；

(a) 序號分配階段，主節點給請求賦值一個序號n，廣播序號分配消息和客戶端的請求消息m，並將構造pre-prepare消息給各從節點；

(b) 交互階段，從節點接收pre-prepare消息，向其他服務節點廣播prepare消息；

(c) 序號確認階段，各節點對視圖內的請求和次序進行驗證後，廣播commit消息，執行收到的客戶端的請求並給客戶端響應。

(3) 客戶端等待來自不同節點的響應，若有m+1個響應相同，則該響應即為運算的結果；

（五）DBFT（Delegated Byzantine Fault Tolerance）授權拜占庭容錯演算法

1. 基本介紹

DBFT建基於PBFT的基礎上，在這個機制當中，存在兩種參與者，一種是專業記賬的「超級節點」，一種是系統當中不參與記賬的普通用戶。普通用戶基於持有權益的比例來投票選出超級節點，當需要通過一項共識（記賬）時，在這些超級節點中隨機推選出一名發言人擬定方案，然後由其他超級節點根據拜占庭容錯演算法（見上文），即少數服從多數的原則進行表態。如果超過2/3的超級節點表示同意發言人方案，則共識達成。這個提案就成為最終發布的區塊，並且該區塊是不可逆的，所有裡面的交易都是百分之百確認的。如果在一定時間內還未達成一致的提案，或者發現有非法交易的話，可以由其他超級節點重新發起提案，重復投票過程，直至達成共識。

2. DBFT的應用實例

國內加密貨幣及區塊鏈平台NEO是 DBFT演算法的研發者及採用者。

3. 簡圖理解模式

假設系統中只有四個由普通用戶投票選出的超級節點，當需要通過一項共識時，系統就會從代表中隨機選出一名發言人擬定方案。發言人會將擬好的方案交給每位代表，每位代表先判斷發言人的計算結果與它們自身紀錄的是否一致，再與其它代表商討驗證計算結果是否正確。如果2/3的代表一致表示發言人方案的計算結果是正確的，那麼方案就此通過。

如果只有不到2/3的代表達成共識，將隨機選出一名新的發言人，再重復上述流程。這個體系旨在保護系統不受無法行使職能的領袖影響。

上圖假設全體節點都是誠實的，達成100%共識，將對方案A（區塊）進行驗證。

鑒於發言人是隨機選出的一名代表，因此他可能會不誠實或出現故障。上圖假設發言人給3名代表中的2名發送了惡意信息（方案B），同時給1名代表發送了正確信息（方案A）。

在這種情況下該惡意信息（方案B）無法通過。中間與右邊的代表自身的計算結果與發言人發送的不一致，因此就不能驗證發言人擬定的方案，導致2人拒絕通過方案。左邊的代表因接收了正確信息，與自身的計算結果相符，因此能確認方案，繼而成功完成1次驗證。但本方案仍無法通過，因為不足2/3的代表達成共識。接著將隨機選出一名新發言人，重新開始共識流程。

上圖假設發言人是誠實的，但其中1名代表出現了異常；右邊的代表向其他代表發送了不正確的信息（B）。

在這種情況下發言人擬定的正確信息（A）依然可以獲得驗證，因為左邊與中間誠實的代表都可以驗證由誠實的發言人擬定的方案，達成2/3的共識。代表也可以判斷到底是發言人向右邊的節點說謊還是右邊的節點不誠實。

（六）SCP (Stellar Consensus Protocol ) 恆星共識協議

1. 基本介紹

SCP 是 Stellar (一種基於互聯網的去中心化全球支付協議) 研發及使用的共識演算法，其建基於聯邦拜占庭協議 (Federated Byzantine Agreement) 。傳統的非聯邦拜占庭協議（如上文的PBFT和DBFT）雖然確保可以通過分布式的方法達成共識，並達到拜占庭容錯 (至多可以容忍不超過系統全部節點數量1/3的失效節點)，它是一個中心化的系統 — 網路中節點的數量和身份必須提前知曉且驗證過。而聯邦拜占庭協議的不同之處在於它能夠去中心化的同時，又可以做到拜占庭容錯。

[…]

（七）RPCA（Ripple Protocol Consensus Algorithm）Ripple共識演算法

1. 基本介紹

RPCA是Ripple（一種基於互聯網的開源支付協議，可以實現去中心化的貨幣兌換、支付與清算功能）研發及使用的共識演算法。在 Ripple 的網路中，交易由客戶端（應用）發起，經過追蹤節點（tracking node）或驗證節點（validating node）把交易廣播到整個網路中。追蹤節點的主要功能是分發交易信息以及響應客戶端的賬本請求。驗證節點除包含追蹤節點的所有功能外，還能夠通過共識協議，在賬本中增加新的賬本實例數據。

Ripple 的共識達成發生在驗證節點之間，每個驗證節點都預先配置了一份可信任節點名單，稱為 UNL（Unique Node List）。在名單上的節點可對交易達成進行投票。共識過程如下：

(1) 每個驗證節點會不斷收到從網路發送過來的交易，通過與本地賬本數據驗證後，不合法的交易直接丟棄，合法的交易將匯總成交易候選集（candidate set）。交易候選集裡面還包括之前共識過程無法確認而遺留下來的交易。

(2) 每個驗證節點把自己的交易候選集作為提案發送給其他驗證節點。

(3) 驗證節點在收到其他節點發來的提案後，如果不是來自UNL上的節點，則忽略該提案；如果是來自UNL上的節點，就會對比提案中的交易和本地的交易候選集，如果有相同的交易，該交易就獲得一票。在一定時間內，當交易獲得超過50%的票數時，則該交易進入下一輪。沒有超過50%的交易，將留待下一次共識過程去確認。

(4) 驗證節點把超過50%票數的交易作為提案發給其他節點，同時提高所需票數的閾值到60%，重復步驟(3)、步驟(4)，直到閾值達到80%。

(5) 驗證節點把經過80%UNL節點確認的交易正式寫入本地的賬本數據中，稱為最後關閉賬本（last closed ledger），即賬本最後（最新）的狀態。

在Ripple的共識演算法中，參與投票節點的身份是事先知道的，因此，演算法的效率比PoW等匿名共識演算法要高效，交易的確認時間只需幾秒鍾。這點也決定了該共識演算法只適合於聯盟鏈或私有鏈。Ripple共識演算法的拜占庭容錯（BFT）能力為（n-1）/5，即可以容忍整個網路中20%的節點出現拜占庭錯誤而不影響正確的共識。

2. 簡圖理解模式

共識過程節點交互示意圖：

共識演算法流程：

（八）POOL驗證池共識機制

Pool驗證池共識機制是基於傳統的分布式一致性演算法（Paxos和Raft）的基礎上開發的機制。Paxos演算法是1990年提出的一種基於消息傳遞且具有高度容錯特性的一致性演算法。過去, Paxos一直是分布式協議的標准，但是Paxos難於理解，更難以實現。Raft則是在2013年發布的一個比Paxos簡單又能實現Paxos所解決問題的一致性演算法。Paxos和Raft達成共識的過程皆如同選舉一樣，參選者需要說服大多數選民(伺服器)投票給他，一旦選定後就跟隨其操作。Paxos和Raft的區別在於選舉的具體過程不同。而Pool驗證池共識機制即是在這兩種成熟的分布式一致性演算法的基礎上，輔之以數據驗證的機制。

⑺ 區塊鏈技術的六大核心演算法

區塊鏈技術的六大核心演算法
區塊鏈核心演算法一：拜占庭協定
拜占庭的故事大概是這么說的：拜占庭帝國擁有巨大的財富，周圍10個鄰邦垂誕已久，但拜占庭高牆聳立，固若金湯，沒有一個單獨的鄰邦能夠成功入侵。任何單個鄰邦入侵的都會失敗，同時也有可能自身被其他9個鄰邦入侵。拜占庭帝國防禦能力如此之強，至少要有十個鄰邦中的一半以上同時進攻，才有可能攻破。然而，如果其中的一個或者幾個鄰邦本身答應好一起進攻，但實際過程出現背叛，那麼入侵者可能都會被殲滅。於是每一方都小心行事，不敢輕易相信鄰國。這就是拜占庭將軍問題。
在這個分布式網路里：每個將軍都有一份實時與其他將軍同步的消息賬本。賬本里有每個將軍的簽名都是可以驗證身份的。如果有哪些消息不一致，可以知道消息不一致的是哪些將軍。盡管有消息不一致的，只要超過半數同意進攻，少數服從多數，共識達成。
由此，在一個分布式的系統中，盡管有壞人，壞人可以做任意事情(不受protocol限制)，比如不響應、發送錯誤信息、對不同節點發送不同決定、不同錯誤節點聯合起來干壞事等等。但是，只要大多數人是好人，就完全有可能去中心化地實現共識
區塊鏈核心演算法二：非對稱加密技術
在上述拜占庭協定中，如果10個將軍中的幾個同時發起消息，勢必會造成系統的混亂，造成各說各的攻擊時間方案，行動難以一致。誰都可以發起進攻的信息，但由誰來發出呢?其實這只要加入一個成本就可以了，即：一段時間內只有一個節點可以傳播信息。當某個節點發出統一進攻的消息後，各個節點收到發起者的消息必須簽名蓋章，確認各自的身份。
在如今看來，非對稱加密技術完全可以解決這個簽名問題。非對稱加密演算法的加密和解密使用不同的兩個密鑰.這兩個密鑰就是我們經常聽到的」公鑰」和」私鑰」。公鑰和私鑰一般成對出現, 如果消息使用公鑰加密,那麼需要該公鑰對應的私鑰才能解密; 同樣，如果消息使用私鑰加密,那麼需要該私鑰對應的公鑰才能解密。
區塊鏈核心演算法三：容錯問題
我們假設在此網路中，消息可能會丟失、損壞、延遲、重復發送，並且接受的順序與發送的順序不一致。此外，節點的行為可以是任意的：可以隨時加入、退出網路，可以丟棄消息、偽造消息、停止工作等，還可能發生各種人為或非人為的故障。我們的演算法對由共識節點組成的共識系統，提供的容錯能力，這種容錯能力同時包含安全性和可用性，並適用於任何網路環境。
區塊鏈核心演算法四：Paxos 演算法(一致性演算法)
Paxos演算法解決的問題是一個分布式系統如何就某個值(決議)達成一致。一個典型的場景是，在一個分布式資料庫系統中，如果各節點的初始狀態一致，每個節點都執行相同的操作序列，那麼他們最後能得到一個一致的狀態。為保證每個節點執行相同的命令序列，需要在每一條指令上執行一個「一致性演算法」以保證每個節點看到的指令一致。一個通用的一致性演算法可以應用在許多場景中，是分布式計算中的重要問題。節點通信存在兩種模型：共享內存和消息傳遞。Paxos演算法就是一種基於消息傳遞模型的一致性演算法。
區塊鏈核心演算法五：共識機制
區塊鏈共識演算法主要是工作量證明和權益證明。拿比特幣來說，其實從技術角度來看可以把PoW看做重復使用的Hashcash，生成工作量證明在概率上來說是一個隨機的過程。開采新的機密貨幣，生成區塊時，必須得到所有參與者的同意，那礦工必須得到區塊中所有數據的PoW工作證明。與此同時礦工還要時時觀察調整這項工作的難度，因為對網路要求是平均每10分鍾生成一個區塊。
區塊鏈核心演算法六：分布式存儲
分布式存儲是一種數據存儲技術，通過網路使用每台機器上的磁碟空間，並將這些分散的存儲資源構成一個虛擬的存儲設備，數據分散的存儲在網路中的各個角落。所以，分布式存儲技術並不是每台電腦都存放完整的數據，而是把數據切割後存放在不同的電腦里。就像存放100個雞蛋，不是放在同一個籃子里，而是分開放在不同的地方，加起來的總和是100個。

⑻ 說到分布式，重要的Paxos演算法你看透了么

開源分布式鎖組件 Google Chubby 的作者 Mike Burrows 說——

這個世界上只有一種一致性演算法，那就是 Paxos 演算法，其他的演算法都是殘次品。

Paxos 演算法雖然重要，但也復雜。

Quorum 機制

在說 Paxos 演算法之前，先來看分布式系統中的 Quorum 選舉演算法。

在各種一致性演算法中都可以看到 Quorum 機制的身影，主要數學思想來源於抽屜原理：在 N 個副本中，一次更新成功的如果有 W 個，那麼我在讀取數據時是要從大於 N－W 個副本中讀取，這樣就能至少讀到一個更新的數據了。

和 Quorum 機制對應的是 WARO（Write All Read one），是一種簡單的副本控制協議，當 Client 請求向某副本寫數據時（更新數據），只有當所有的副本都更新成功之後，這次寫操作才算成功，否則視為失敗。

WARO 優先保證讀服務，從而保證了所有的副本一致，只需要讀任何一個副本上的數據即可。

寫服務的可用性較低，假設有 N 個副本，N－1 個都宕機了，剩下的那個副本仍能提供讀服務；李運但是只要有一個副本宕機了，寫服務就不會成功。

WARO 犧牲了更新服務的可用性，最大程度地增強了讀服務的可用性，而 Quorum 就是在更新服務和讀服務之間進行的一個折衷。

1. Quorum 定義

Quorum 的定義如下——

假設有 N 個副本，更新操作 wi 在 W 個副本中更新成功之後，才認為此次更新操作 wi 成功，把這次成功提交的更新操作氏衫對應的數據叫作「成功提交的數據」。

對於讀操作而言，至少需要讀 R 個副本才能讀到此次更新的數據，其中，W+R>N ，即 W 和 R 有重疊，一般，W+R=N+1。

N = 存儲數據副本的數量

W = 更新成功所需的副本

R = 一次數據對象讀取要訪問的副本的數量

Quorum 就是限定了一次需要讀取至少 N+1-W 的副本數據。

舉個例子，我們維護了 10 個副本，一次成功更新了 3 個，那麼至少需要讀取 8 個副本的數據，可以保證我們哪核梁讀到最新的數據。

2. Quorum 的應用

Quorum 機制無法保證強一致性，也就是無法實現任何時刻任何用戶或節點都可以讀到最近一次成功提交的副本數據。

需要配合一個獲取最新成功提交的版本號的 metadata 服務，這樣可以確定最新已經成功提交的版本號，然後從已經讀到的數據中就可以確認最新寫入的數據。

Quorum 是分布式系統中常用的一種機制，用來保證數據冗餘和最終一致性的投票演算法，在 Paxos、Raft 和 ZooKeeper 的 Zab 等演算法中，都可以看到 Quorum 機制的應用。

Paxos

1. Paxos 的節點角色

在 Paxos 協議中，有三類節點角色，分別是Proposer、Acceptor和Learner，另外還有一個Client作為產生議題者。

上述三類角色只是邏輯上的劃分，在工作實踐中，一個節點可以同時充當這三類角色。

Proposer 提案者

在流程開始時，Proposer 提出議案，也就是 value。在工程中 value 可以是任何操作，比如「修改某個變數的值為某個新值」。

Proposer 可以有多個，不同的 Proposer 可以提出不同的甚至矛盾的 value，比如某個 Proposer 提議「將變數X設置為1」，另一個 Proposer 提議「將變數X設置為2」，但對同一輪 Paxos 過程，最多隻有一個 value 被批准。

Acceptor 批准者

在集群中，Acceptor 有 N 個，Acceptor 之間完全對等獨立，Proposer 提出的 value 必須獲得超過半數（N/2+1）的 Acceptor 批准後才能通過。

Learner 學習者

Learner 不參與選舉，而是學習被批準的 value，在 Paxos 中，Learner 主要參與相關的狀態機同步流程。

這里 Leaner 的流程就參考了 Quorum 議會機制，某個 value 需要獲得 W=N/2+1 的 Acceptor 批准，Learner 需要至少讀取 N/2+1 個 Accpetor，最多讀取 N 個 Acceptor 的結果後，才能學習到一個通過的 value。

Client 產生議題者

Client 作為產生議題者，實際不參與選舉過程，比如發起修改請求的來源等。

2. Proposer 與 Acceptor 之間的交互

Paxos 中，Proposer 和 Acceptor 是演算法核心角色。Paxos 描述的就是在一個由多個 Proposer 和多個 Acceptor 構成的系統中，如何讓多個 Acceptor 針對 Proposer 提出的多種提案達成一致的過程，而 Learner 只是「學習」最終被批準的提案。

Proposer 與 Acceptor 之間的交互主要有 4 類消息通信，對應 Paxos 演算法的兩個階段 4 個過程。

3. Paxos 選舉過程

選舉過程可以分為兩個部分，准備階段和選舉階段，可以查看下面的時序圖：

3.1 Phase 1 准備階段

Proposer 生成全局唯一且遞增的 ProposalID，向 Paxos 集群的所有機器發送 Prepare 請求，這里不攜帶 value，只攜帶 N，即 ProposalID。

Acceptor 收到 Prepare 請求後，判斷收到的 ProposalID 是否比之前已響應的所有提案的 N 大。

如果是，則——

在本地持久化N，可記為Max_N

回復請求，並帶上已經 accept 的提案中N最大的 value，如果此時還沒有已經 accept 的提案，則返回 value 為空

做出承諾，不會 accept 任何小於Max_N的提案

如果否，則——

不回復或者回復Error。

3.2 Phase 2 選舉階段

為了方便描述，我們把 Phase 2 選舉階段繼續拆分為 P2a、P2b 和 P2c。

P2a：Proposer 發送 Accept

經過一段時間後，Proposer 收集到一些 Prepare 回復，有下列幾種情況：

(1) 若回復數量 > 一半的 Acceptor 數量，且所有回復的 value 都為空時，則 Porposer 發出 accept 請求，並帶上自己指定的 value。

(2) 若回復數量 > 一半的 Acceptor 數量，且有的回復 value 不為空時，則 Porposer 發出 accept 請求，並帶上回復中 ProposalID 最大的 value，作為自己的提案內容。

(3) 若回復數量 <= 一半的 Acceptor 數量時，則嘗試更新生成更大的 ProposalID，再轉到准備階段執行。

P2b：Acceptor 應答 Accept

Accpetor 收到 Accpet 請求後，判斷：

(1) 若收到的N>=Max_N（一般情況下是等於），則回復提交成功，並持久化N和 value；

(2) 若收到的N

P2c：Proposer 統計投票

經過一段時間後，Proposer 會收集到一些 Accept 回復提交成功的情況，比如：

(1) 當回復數量 > 一半的 Acceptor 數量時，則表示提交 value 成功，此時可以發一個廣播給所有的 Proposer、Learner，通知它們已 commit 的 value；

(2) 當回復數量 <= 一半的 Acceptor 數量時，則嘗試更新生成更大的 ProposalID，轉到准備階段執行。

(3) 當收到一條提交失敗的回復時，則嘗試更新生成更大的 ProposalID，也會轉到准備階段執行。

Paxos 常見的問題

如果半數以內的 Acceptor 失效，如何正常運行？

在 Paxos 流程中，如果出現半數以內的 Acceptor 失效，可以分為兩種情況。

第一種，如果半數以內的 Acceptor 失效時還沒確定最終的 value，此時所有的 Proposer 會重新競爭提案，最終有一個提案會成功提交。

第二種，如果半數以內的 Acceptor 失效時已確定最終的 value，此時所有的 Proposer 提交前必須以最終的 value 提交，也就是 value 實際已經生效，此值可以被獲取，並不再修改。

Acceptor 需要接受更大的 N，也就是 ProposalID，這有什麼意義？

這種機制可以防止其中一個 Proposer 崩潰宕機產生阻塞問題，允許其他 Proposer 用更大 ProposalID 來搶占臨時的訪問權。

如何產生唯一的編號，也就是 ProposalID？

在《Paxos made simple》的論文中提到，唯一編號是讓所有的 Proposer 都從不相交的數據集合中進行選擇，需要保證在不同 Proposer 之間不重復。

比如系統有 5 個 Proposer，則可為每一個 Proposer 分配一個標識j(0~4)，那麼每一個 Proposer 每次提出決議的編號可以為5*i+j，i可以用來表示提出議案的次數。

總之，Paxos 是經典的分布式協議，理解了以後，學習其他分布式協議會簡單很多。

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⑼ 區塊鏈常見的三大共識機制

區塊鏈是建立在P2P網路，由節點參與的分布式賬本系統，最大的特點是「去中心化」。也就是說在區塊鏈系統中，用戶與用戶之間、用戶與機構之間、機構與機構之間，無需建立彼此之間的信任，只需依靠區塊鏈協議系統就能實現交易。

可是，要如何保證賬本的准確性，權威性，以及可靠性？區塊鏈網路上的節點為什麼要參與記賬？節點如果造假怎麼辦？如何防止賬本被篡改？如何保證節點間的數據一致性？……這些都是區塊鏈在建立「去中心化」交易時需要解決的問題，由此產生了共識機制。

所謂「共識機制」，就是通過特殊節點的投票，在很短的時間內完成對交易的驗證和確認；當出現意見不一致時，在沒有中心控制的情況下，若干個節點參與決策達成共識，即在互相沒有信任基礎的個體之間如何建立信任關系。

區塊鏈技術正是運用一套基於共識的數學演算法，在機器之間建立「信任」網路，從而通過技術背書而非中心化信用機構來進行全新的信用創造。

不同的區塊鏈種類需要不同的共識演算法來確保區塊鏈上最後的區塊能夠在任何時候都反應出全網的狀態。

目前為止，區塊鏈共識機制主要有以下幾種：POW工作量證明、POS股權證明、DPOS授權股權證明、Paxos、PBFT（實用拜占庭容錯演算法）、dBFT、DAG（有向無環圖）

接下來我們主要說說常見的POW、POS、DPOS共識機制的原理及應用場景

概念：

工作量證明機制（Proof of work ），最早是一個經濟學名詞，指系統為達到某一目標而設置的度量方法。簡單理解就是一份證明，用來確認你做過一定量的工作，通過對工作的結果進行認證來證明完成了相應的工作量。

工作量證明機制具有完全去中心化的優點，在以工作量證明機制為共識的區塊鏈中，節點可以自由進出，並通過計算隨機哈希散列的數值解爭奪記賬權，求得正確的數值解以生成區塊的能力是節點算力的具體表現。

應用：

POW最著名的應用當屬比特幣。在比特幣網路中，在Block的生成過程中，礦工需要解決復雜的密碼數學難題，尋找到一個符合要求的Block Hash由N個前導零構成，零的個數取決於網路的難度值。這期間需要經過大量嘗試計算（工作量），計算時間取決於機器的哈希運算速度。

而尋找合理hash是一個概率事件，當節點擁有佔全網n%的算力時，該節點即有n/100的概率找到Block Hash。在節點成功找到滿足的Hash值之後，會馬上對全網進行廣播打包區塊，網路的節點收到廣播打包區塊，會立刻對其進行驗證。

如果驗證通過，則表明已經有節點成功解迷，自己就不再競爭當前區塊，而是選擇接受這個區塊，記錄到自己的賬本中，然後進行下一個區塊的競爭猜謎。網路中只有最快解謎的區塊，才會添加的賬本中，其他的節點進行復制，以此保證了整個賬本的唯一性。

假如節點有任何的作弊行為，都會導致網路的節點驗證不通過，直接丟棄其打包的區塊，這個區塊就無法記錄到總賬本中，作弊的節點耗費的成本就白費了，因此在巨大的挖礦成本下，也使得礦工自覺自願的遵守比特幣系統的共識協議，也就確保了整個系統的安全。

優缺點

優點：結果能被快速驗證，系統承擔的節點量大，作惡成本高進而保證礦工的自覺遵守性。

缺點：需要消耗大量的演算法，達成共識的周期較長

概念：

權益證明機制（Proof of Stake），要求證明人提供一定數量加密貨幣的所有權。

權益證明機制的運作方式是，當創造一個新區塊時，礦工需要創建一個「幣權」交易，交易會按照預先設定的比例把一些幣發送給礦工本身。權益證明機制根據每個節點擁有代幣的比例和時間，依據演算法等比例地降低節點的挖礦難度，從而加快了尋找隨機數的速度。

應用：

2012年，化名Sunny King的網友推出了Peercoin（點點幣），是權益證明機制在加密電子貨幣中的首次應用。PPC最大創新是其采礦方式混合了POW及POS兩種方式，採用工作量證明機制發行新幣，採用權益證明機制維護網路安全。

為了實現POS，Sunny King借鑒於中本聰的Coinbase，專門設計了一種特殊類型交易，叫Coinstake。

上圖為Coinstake工作原理，其中幣齡指的是貨幣的持有時間段，假如你擁有10個幣，並且持有10天，那你就收集到了100天的幣齡。如果你使用了這10個幣，幣齡被消耗（銷毀）了。

優缺點：

優點：縮短達成共識所需的時間，比工作量證明更加節約能源。

缺點：本質上仍然需要網路中的節點進行挖礦運算，轉賬真實性較難保證

概念：

授權股權證明機制（Delegated Proof of Stake），與董事會投票類似，該機制擁有一個內置的實時股權人投票系統，就像系統隨時都在召開一個永不散場的股東大會，所有股東都在這里投票決定公司決策。

授權股權證明在嘗試解決傳統的PoW機制和PoS機制問題的同時，還能通過實施科技式的民主抵消中心化所帶來的負面效應。基於DPoS機制建立的區塊鏈的去中心化依賴於一定數量的代表，而非全體用戶。在這樣的區塊鏈中，全體節點投票選舉出一定數量的節點代表，由他們來代理全體節點確認區塊、維持系統有序運行。

同時，區塊鏈中的全體節點具有隨時罷免和任命代表的權力。如果必要，全體節點可以通過投票讓現任節點代表失去代表資格，重新選舉新的代表，實現實時的民主。

應用：

比特股（Bitshare）是一類採用DPOS機制的密碼貨幣。通過引入了見證人這個概念，見證人可以生成區塊，每一個持有比特股的人都可以投票選舉見證人。得到總同意票數中的前N個（N通常定義為101）候選者可以當選為見證人，當選見證人的個數（N）需滿足：至少一半的參與投票者相信N已經充分地去中心化。

見證人的候選名單每個維護周期（1天）更新一次。見證人然後隨機排列，每個見證人按序有2秒的許可權時間生成區塊，若見證人在給定的時間片不能生成區塊，區塊生成許可權交給下一個時間片對應的見證人。DPoS的這種設計使得區塊的生成更為快速，也更加節能。

DPOS充分利用了持股人的投票，以公平民主的方式達成共識，他們投票選出的N個見證人，可以視為N個礦池，而這N個礦池彼此的權利是完全相等的。持股人可以隨時通過投票更換這些見證人（礦池），只要他們提供的算力不穩定，計算機宕機，或者試圖利用手中的權力作惡。

優缺點：

優點：縮小參與驗證和記賬節點的數量，從而達到秒級的共識驗證

缺點：中心程度較弱，安全性相比POW較弱，同時節點代理是人為選出的，公平性相比POS較低，同時整個共識機制還是依賴於代幣的增發來維持代理節點的穩定性。

⑽ 常見的共識演算法介紹

在非同步系統中，需要主機之間進行狀態復制，以保證每個主機達成一致的狀態共識。而在非同步系統中，主機之間可能出現故障，因此需要在默認不可靠的非同步網路中定義容錯協議，以確保各個主機達到安全可靠的狀態共識。

共識演算法其實就是一組規則，設置一組條件，篩選出具有代表性的節點。在區塊鏈系統中，存在很多這樣的篩選方案，如在公有鏈中的POW、Pos、DPOS等，而在不需要貨幣體系的許可鏈或私有鏈中，絕對信任的節點、高效的需求是公有鏈共識演算法不能提供的，對於這樣的區塊鏈，傳統的一致性共識演算法成為首選，如PBFT、PAXOS、RAFT等。

目錄

一、BFT（拜占庭容錯技術）

二、PBFT（實用拜占庭容錯演算法）

三、PAXOS

四、Raft

五、POW（工作量證明）

六、POS（權益證明）

七、DPOS（委任權益證明）

八、Ripple

拜占庭弄錯技術是一類分布式計算領域的容錯技術。拜占庭假設是由於硬體錯誤、網路擁塞或中斷以及遭到惡意攻擊的原因，計算機和網路出現不可預測的行為。拜占庭容錯用來處理這種異常行為，並滿足所要解決問題的規范。

拜占庭容錯系統是一個擁有n台節點的系統，整個系統對於每一個請求，滿足以下條件：

1）所有非拜占庭節點使用相同的輸入信息，產生同樣的結果；

2）如果輸入的信息正確，那麼所有非拜占庭節點必須接收這個信息，並計算相應的結果。

拜占庭系統普遍採用的假設條件包括：

1）拜占庭節點的行為可以是任意的，拜占庭節點之間可以共謀；

2）節點之間的錯誤是不相關的；

3）節點之間通過非同步網路連接，網路中的消息可能丟失、亂序並延時到達，但大部分協議假設消息在有限的時間里能傳達到目的地；

4）伺服器之間傳遞的信息，第三方可以嗅探到，但是不能篡改、偽造信息的內容和驗證信息的完整性。

拜占庭容錯由於其理論上的可行性而缺乏實用性，另外還需要額外的時鍾同步機制支持，演算法的復雜度也是隨節點的增加而指數級增加。

實用拜占庭容錯降低了拜占庭協議的運行復雜度，從指數級別降低到多項式級別。

PBFT是一種狀態機副本復制演算法，即服務作為狀態機進行建模，狀態機在分布式系統的不同節點進行副本復制。PBFT要求共同維護一個狀態。需要運行三類基本協議，包括一致性協議、檢查點協議和視圖更換協議。

一致性協議。一致性協議至少包含若干個階段：請求（request）、序號分配（pre-prepare）和響應（reply），可能包含相互交互（prepare），序號確認（commit）等階段。

PBFT通信模式中，每個客戶端的請求需要經過5個階段。由於客戶端不能從伺服器端獲得任何伺服器運行狀態的信息，PBFT中主節點是否發生錯誤只能由伺服器監測。如果伺服器在一段時間內都不能完成客戶端的請求，則會觸發視圖更換協議。

整個協議的基本過程如下：

1）客戶端發送請求，激活主節點的服務操作。

2）當主節點接收請求後，啟動三階段的協議以向各從節點廣播請求。

［2.1］序號分配階段，主節點給請求賦值一個序列號n，廣播序號分配消息和客戶端的請求消息m，並將構造PRE-PREPARE消息給各從節點；

［2.2］交互階段，從節點接收PRE-PREPARE消息，向其他服務節點廣播PREPARE消息；

［2.3］序號確認階段，各節點對視圖內的請求和次序進行驗證後，廣播COMMIT消息，執行收到的客戶端的請求並給客戶端以響應。

3）客戶端等待來自不同節點的響應，若有m+1個響應相同，則該響應即為運算的結果。

PBFT一般適合有對強一致性有要求的私有鏈和聯盟鏈，例如，在IBM主導的區塊鏈超級賬本項目中，PBFT是一個可選的共識協議。在Hyperledger的Fabric項目中，共識模塊被設計成可插拔的模塊，支持像PBFT、Raft等共識演算法。

在有些分布式場景下，其假設條件不需要考慮拜占庭故障，而只是處理一般的死機故障。在這種情況下，採用Paxos等協議會更加高效。。PAXOS是一種基於消息傳遞且具有高度容錯特性的一致性演算法。

PAXOS中有三類角色Proposer、Acceptor及Learner，主要交互過程在Proposer和Acceptor之間。演算法流程分為兩個階段：

phase 1

a) proposer向網路內超過半數的acceptor發送prepare消息

b) acceptor正常情況下回復promise消息

phase 2

a) 在有足夠多acceptor回復promise消息時，proposer發送accept消息

b) 正常情況下acceptor回復accepted消息

流程圖如圖所示：

PAXOS協議用於微信PaxosStore中，每分鍾調用Paxos協議過程數十億次量級。

Paxos是Lamport設計的保持分布式系統一致性的協議。但由於Paxos非常復雜，比較難以理解，因此後來出現了各種不同的實現和變種。Raft是由Stanford提出的一種更易理解的一致性演算法，意在取代目前廣為使用的Paxos演算法。

Raft最初是一個用於管理復制日誌的共識演算法，它是在非拜占庭故障下達成共識的強一致協議。Raft實現共識過程如下：首先選舉一個leader，leader從客戶端接收記賬請求、完成記賬操作、生成區塊，並復制到其他記賬節點。leader有完全的管理記賬權利，例如，leader能夠決定是否接受新的交易記錄項而無需考慮其他的記賬節點，leader可能失效或與其他節點失去聯系，這時，重新選出新的leader。

在Raft中，每個節點會處於以下三種狀態中的一種：

（1）follower：所有結點都以follower的狀態開始。如果沒收到leader消息則會變成candidate狀態；

（2）candidate：會向其他結點「拉選票」，如果得到大部分的票則成為leader。這個過程就叫做Leader選舉(Leader Election)；

（3）leader：所有對系統的修改都會先經過leader。每個修改都會寫一條日誌(log entry)。leader收到修改請求後的過程如下：此過程叫做日誌復制（Log Replication）

1）復制日誌到所有follower結點

2）大部分結點響應時才提交日誌

3）通知所有follower結點日誌已提交

4）所有follower也提交日誌

5）現在整個系統處於一致的狀態

Raft階段主要分為兩個，首先是leader選舉過程，然後在選舉出來的leader基礎上進行正常操作，比如日誌復制、記賬等。

（1）leader選舉

當follower在選舉時間內未收到leader的消息，則轉換為candidate狀態。在Raft系統中：

1）任何一個伺服器都可以成為候選者candidate，只要它向其他伺服器follower發出選舉自己的請求。

2）如果其他伺服器同意了，發出OK。如果在這個過程中，有一個follower宕機，沒有收到請求選舉的要求，此時候選者可以自己選自己，只要達到N/2+1的大多數票，候選人還是可以成為leader的。

3）這樣這個候選者就成為了leader領導人，它可以向選民也就是follower發出指令，比如進行記賬。

4）以後通過心跳消息進行記賬的通知。

5）一旦這個leader崩潰了，那麼follower中有一個成為候選者，並發出邀票選舉。

6）follower同意後，其成為leader，繼續承擔記賬等指導工作。

（2）日誌復制

記賬步驟如下所示：

1）假設leader已經選出，這時客戶端發出增加一個日誌的要求；

2）leader要求follower遵從他的指令，將這個新的日誌內容追加到各自日誌中；

3）大多數follower伺服器將交易記錄寫入賬本後，確認追加成功，發出確認成功信息；

4）在下一個心跳消息中，leader會通知所有follower更新確認的項目。

對於每個新的交易記錄，重復上述過程。

在這一過程中，若發生網路通信故障，使得leader不能訪問大多數follower了，那麼leader只能正常更新它能訪問的那些follower伺服器。而大多數的伺服器follower因為沒有了leader，他們將重新選舉一個候選者作為leader，然後這個leader作為代表與外界打交道，如果外界要求其添加新的交易記錄，這個新的leader就按上述步驟通知大多數follower。當網路通信恢復，原先的leader就變成follower，在失聯階段，這個老leader的任何更新都不能算確認，必須全部回滾，接收新的leader的新的更新。

在去中心賬本系統中，每個加入這個系統的節點都要保存一份完整的賬本，但每個節點卻不能同時記賬，因為節點處於不同的環境，接收不同的信息，如果同時記賬，必然導致賬本的不一致。因此通過同時來決定那個節點擁有記賬權。

在比特幣系統中，大約每10分鍾進行一輪算力競賽，競賽的勝利者，就獲得一次記賬的權力，並向其他節點同步新增賬本信息。

PoW系統的主要特徵是計算的不對稱性。工作端要做一定難度的工作才能得出一個結果，而驗證方卻很容易通過結果來檢查工作端是不是做了相應的工作。該工作量的要求是，在某個字元串後面連接一個稱為nonce的整數值串，對連接後的字元串進行SHA256哈希運算，如果得到的哈希結果（以十六進制的形式表示）是以若干個0開頭的，則驗證通過。

比特幣網路中任何一個節點，如果想生成一個新的區塊並寫入區塊鏈，必須解出比特幣網路出的PoW問題。關鍵的3個要素是 工作量證明函數、區塊及難度值 。工作量證明函數是這道題的計算方法，區塊決定了這道題的輸入數據，難度值決定了這道題所需要的計算量。

（1）工作量證明函數就是<u style="box-sizing: border-box;"> SHA256 </u>

比特幣的區塊由區塊頭及該區塊所包含的交易列表組成。擁有80位元組固定長度的區塊頭，就是用於比特幣工作量證明的輸入字元串。

（2）難度的調整是在每個完整節點中獨立自動發生的。每2016個區塊，所有節點都會按統一的公式自動調整難度。如果區塊產生的速率比10分鍾快則增加難度，比10分鍾慢則降低難度。

公式可以總結為：新難度值=舊難度值×（過去2016個區塊花費時長/20160分鍾）

工作量證明需要有一個目標值。比特幣工作量證明的目標值（Target）的計算公式：目標值=最大目標值/難度值

其中最大目標值為一個恆定值：

目標值的大小與難度值成反比。比特幣工作量證明的達成就是礦工計算出來的 區塊哈希值必須小於目標值 。

（3）PoW能否解決拜占庭將軍問題

比特幣的PoW共識演算法是一種概率性的拜占庭協議（Probabilistic BA）

當不誠實的算力小於網路總算力的50%時，同時挖礦難度比較高（在大約10分鍾出一個區塊情況下）比特幣網路達到一致性的概念會隨確認區塊的數目增多而呈指數型增加。但當不誠實算力具一定規模，甚至不用接近50%的時候，比特幣的共識演算法並不能保證正確性，也就是，不能保證大多數的區塊由誠實節點來提供。

比特幣的共識演算法不適合於私有鏈和聯盟鏈。其原因首先是它是一個最終一致性共識演算法，不是一個強一致性共識演算法。第二個原因是其共識效率低。

擴展知識： 一致性

嚴格一致性，是在系統不發生任何故障，而且所有節點之間的通信無需任何時間這種理想的條件下，才能達到。這個時候整個系統就等價於一台機器了。在現實中，是不可能達到的。

強一致性，當分布式系統中更新操作完成之後，任何多個進程或線程，訪問系統都會獲得最新的值。

弱一致性，是指系統並不保證後續進程或線程的訪問都會返回最新的更新的值。系統在數據成功寫入之後，不承諾立即可以讀到最新寫入的值，也不會具體承諾多久讀到。但是會盡可能保證在某個時間級別（秒級）之後。可以讓數據達到一致性狀態。

最終一致性是弱一致性的特定形式。系統保證在沒有後續更新的前提下，系統最終返回上一次更新操作的值。也就是說，如果經過一段時間後要求能訪問到更新後的數據，則是最終一致性。

在股權證明PoS模式下，有一個名詞叫幣齡，每個幣每天產生1幣齡，比如你持有100個幣，總共持有了30天，那麼，此時你的幣齡就為3000，這個時候，如果你發現了一個PoS區塊，你的幣齡就會被清空為0。你每被清空365幣齡，你將會從區塊中獲得0.05個幣的利息(假定利息可理解為年利率5%)，那麼在這個案例中，利息 = 3000 * 5% / 365 = 0.41個幣，這下就很有意思了，持幣有利息。

點點幣（Peercoin）是首先採用權益證明的貨幣。，點點幣的權益證明機制結合了隨機化與幣齡的概念，未使用至少30天的幣可以參與競爭下一區塊，越久和越大的幣集有更大的可能去簽名下一區塊。一旦幣的權益被用於簽名一個區塊，則幣齡將清為零，這樣必須等待至少30日才能簽署另一區塊。

PoS機制雖然考慮到了PoW的不足，但依據權益結余來選擇，會導致首富賬戶的權力更大，有可能支配記賬權。股份授權證明機制（Delegated Proof of Stake，DPoS）的出現正是基於解決PoW機制和PoS機制的這類不足。

比特股（Bitshare）是一類採用DPoS機制的密碼貨幣。它的原理是，讓每一個持有比特股的人進行投票，由此產生101位代表 , 我們可以將其理解為101個超級節點或者礦池，而這101個超級節點彼此的權利是完全相等的。如果代表不能履行他們的職責（當輪到他們時，沒能生成區塊），他們會被除名，網路會選出新的超級節點來取代他們。

比特股引入了見證人這個概念，見證人可以生成區塊，每一個持有比特股的人都可以投票選舉見證人。得到總同意票數中的前N個（N通常定義為101）候選者可以當選為見證人，當選見證人的個數（N）需滿足：至少一半的參與投票者相信N已經充分地去中心化。

見證人的候選名單每個維護周期（1天）更新一次。見證人然後隨機排列，每個見證人按序有2秒的許可權時間生成區塊，若見證人在給定的時間片不能生成區塊，區塊生成許可權交給下一個時間片對應的見證人。

比特股還設計了另外一類競選，代表競選。選出的代表擁有提出改變網路參數的特權，包括交易費用、區塊大小、見證人費用和區塊區間。若大多數代表同意所提出的改變，持股人有兩周的審查期，這期間可以罷免代表並廢止所提出的改變。這一設計確保代表技術上沒有直接修改參數的權利以及所有的網路參數的改變最終需得到持股人的同意。

Ripple（瑞波）是一種基於互聯網的開源支付協議，在Ripple的網路中，交易由客戶端（應用）發起，經過追蹤節點（tracking node）或驗證節點（validating node）把交易廣播到整個網路中。

追蹤節點的主要功能是分發交易信息以及響應客戶端的賬本請求。驗證節點除包含追蹤節點的所有功能外，還能夠通過共識協議，在賬本中增加新的賬本實例數據。

Ripple的共識達成發生在驗證節點之間，每個驗證節點都預先配置了一份可信任節點名單，稱為UNL（Unique Node List）。在名單上的節點可對交易達成進行投票。每隔幾秒，Ripple網路將進行如下共識過程：

1）每個驗證節點會不斷收到從網路發送過來的交易，通過與本地賬本數據驗證後，不合法的交易直接丟棄，合法的交易將匯總成交易候選集（candidate set）。交易候選集裡面還包括之前共識過程無法確認而遺留下來的交易。

2）每個驗證節點把自己的交易候選集作為提案發送給其他驗證節點。

3）驗證節點在收到其他節點發來的提案後，如果不是來自UNL上的節點，則忽略該提案；如果是來自UNL上的節點，就會對比提案中的交易和本地的交易候選集，如果有相同的交易，該交易就獲得一票。在一定時間內，當交易獲得超過50%的票數時，則該交易進入下一輪。沒有超過50%的交易，將留待下一次共識過程去確認。

4）驗證節點把超過50%票數的交易作為提案發給其他節點，同時提高所需票數的閾值到60%，重復步驟3）、步驟4），直到閾值達到80%。

5）驗證節點把經過80%UNL節點確認的交易正式寫入本地的賬本數據中，稱為最後關閉賬本（Last Closed Ledger），即賬本最後（最新）的狀態。

在Ripple的共識演算法中，參與投票節點的身份是事先知道的。該共識演算法只適合於許可權鏈（Permissioned chain）的場景。Ripple共識演算法的拜占庭容錯（BFT）能力為（n-1）/5，即可以容忍整個網路中20%的節點出現拜占庭錯誤而不影響正確的共識。

在區塊鏈網路中，由於應用場景的不同，所設計的目標各異，不同的區塊鏈系統採用了不同的共識演算法。一般來說，在私有鏈和聯盟鏈情況下，對一致性、正確性有很強的要求。一般來說要採用強一致性的共識演算法。而在公有鏈情況下，對一致性和正確性通常沒法做到百分之百，通常採用最終一致性（Eventual Consistency）的共識演算法。

共識演算法的選擇與應用場景高度相關，可信環境使用paxos 或者raft，帶許可的聯盟可使用pbft ，非許可鏈可以是pow，pos，ripple共識等，根據對手方信任度分級，自由選擇共識機制。