比特币多少个区块调整一次
㈠ 比特币28年减半吗
比特币大概每4年减半一次。比特币BTC第一次减半是在2012年11月28日,区块奖励从50个BTC下降到25BTC。比特币第二次减半是在2016年7月10日,区块奖励从25个BTC下降到12.5BTC。比特币的第三次减半在2020年5月12日,区块奖励从12.5个BTC下降到6.25BTC。
比特币BTC减半规则:
1、2009年1月3日,中本聪挖出第一个区块上50个币,史称创世区块,比特币网络诞生;
2、2012年11月28日,挖出到1050万时(2100万的50%),产量减半为每10分钟25个;
3、2016年07月10日,当总量达到1575万(新产出525万,即1050的50%)时,再减半为每10分钟12.5个;
4、2020年5月12日,当总量达到1837.5万时,再减半为每10分钟6.25个。
5、比特币减半时间表明比特币减半计划在于块高,而不是日期。每减少210,000块就会发生一次减半。
㈡ 什么是“比特币挖矿”
#比特币观察# #数字货币#
最近很多朋友私信我问我什么叫挖矿?
今晚抽时间来举个例子讲讲比特币挖矿是什么意思!认真看相信对于币圈小白的你们有所帮助
币圈里“挖矿”是什么意思?,首先我们自己要清楚一个概念,数字货币一开始是没有的,而挖矿就能生产出数字货币,我们称之为挖矿。而挖矿的机器,就是计算机,通过专业的挖矿计算机,准确优先算出答案的,以数字货币等形式给予矿工的奖励,从而获得市场上交易的数字货币!
挖矿是什么,首先我们自己要清楚一个概念,数字货币一开始是没有的,而挖矿就能生产出数字货币,我们称之为挖矿。而挖矿的机器,就是计算机,通过专业的挖矿计算机,准确优先算出答案,以数字货币等形式给予矿工的奖励,从而获得市场上交易的数字货币!
挖矿是可以获得收益的,通常情况下矿工挖矿的过程就是通过运行比特币节点,同步 历史 账本,将最新交易记录到账本,并获得比特币区块奖励的一个过程。对比特币网络而言,矿工通过挖矿维护比特币网络安全。对矿工而言,通过挖矿分得比特币奖励.
那么我们如何去挖矿,挖矿又应该注意些什么。接下来听我给你好好分析!首先我们自己要知道从最初的用电脑就能挖出币,到如今需要专业的矿机才能挖出,这中间是经过了很多的迭代更新,这就造成了自己挖矿的难度大大的提升,那么我们该如何选择比较合适的挖矿方式呢?我们必须了解目前市场上的挖矿方式。从08年中本聪第一次用电脑挖出第一枚比特币开始,就掀起了挖矿热潮,越来越多的人开始用电脑挖矿,而人数的增多,也导致挖矿难度增大,普通的电脑也满足不了挖矿的需求,随着 科技 的进步,挖矿的机器也开始进步,人们开始购买专业的挖矿机,曾有一段时间居然在市面上都买不到CPU,而 科技 这几年一直的突飞猛进,以及越来越多的人对数字货币的认可,难度再一次加大,开始出现了云算力,这种技术相对前者来说,是进步很多的,挖矿变得大众化,使得大家都可以矿。不得不说,对于这种人人能参与的挖矿方式,很快也得到了大众认可,但对于靠挖矿为生人老矿工来说,只能被迫分一杯羹!
通常情况下算力与挖矿收益是正相关关系,算力和收益之间的关系如下所示:
1)如果在相同难度下,算力越高,收益也就会越高;
2)比特币每2016个区块,大概两周就会进行一次难度调整。可能出现全网难度调整,从而导致算力增加,收益反而减少的情况发生;
3)开始挖矿必须要有一个操作方便、产出稳定的矿池,它的作用就是为各个终端细分数据包,可以通过精密的算法将终端计算好的数据包按照比例,支付相应数量的比特币
㈢ 自学区块链(六)BTC-挖矿难度
我们来看下挖矿的计算公式
H(block header) target,这个target就是 目标阈值
BTC用的哈希算法是SHA-256,它产生的哈希值是256位,那么就有2^256种取值,这个就是他的输出空间,要增大挖矿难度, 就调节目标值在这个输出空间所占的比例 。
挖矿难度和目标阈值是成反比的, 当算力强时,调节难度,使目标阈值变小 。
不调节难度,随着矿工数量增多,随着算力的上升,那么挖到区块的时间就会变短,从10分钟缩短到1分钟甚至几秒钟,这个会带来什么样的问题呢?可能很多人觉得这不是挺好吗,交易等六个确认就会缩短时间了,交易就会变快了。其实出块时间缩到很短,风险是很大的,因为网络延迟,出块时间变短,不同节点很可能接到不同的区块信息,导致会有很多分叉节点出现。矿工会根据自己认为正确的区块接着挖。这种情况下,恶意节点发动分叉攻击就比较容易成功,因为诚实节点的算力被分散了。
导致不需要51%的算力就能成功,所以缩短出块时间是不利于BTC系统的稳定的。虽然10分钟不一定是最优的时间,但是也算是比较合理的。
下面是 算力增长曲线
下面是 挖矿难度曲线
下面是 平均出矿时间
我们来看下难度公式:每2016个区块调整一次挖矿难度,10分钟出一个平均算下来是两星期调整一次。
previous_difficulty是上一次的挖矿难度,分母是最近2016个区块花费的时间
每个节点挖矿是独立的,BTC的协议也是开源的,会不会有矿工不修改挖矿难度呢?可能性是存在的,但是不影响结果,因为广播给其他节点需要独立验证block header的哈希值, 这个header里面有难度的一个压缩编码,修改难度产生的结果是不会被诚实的节点认可的。
㈣ 为什么比特币成为了2021年最确定的事情
就目前来看,它的价格持续增长是肯定的,毕竟有着众多金融机构在支撑币价的稳固。
2020出现了太多的不确定事件,比如疫情、“3.12”、DeFi、Filecoin主网上线延迟、美国总统大选等,而确定性的事件有以太坊2.0上线、比特币价格上涨等。
为什么比特币价格上涨会成为确定性事件呢?
这是不可否认的,因此它成为了2021年伊始最为确定的事情,就目前来看,它的价格持续增长是肯定的,毕竟有着众多金融机构在支撑币价的稳固。
㈤ 比特币挖矿难度和算力有什么关系
2009年1月3日,中本聪(Satoshi Nakamoto)在位于芬兰赫尔辛基的一个小型服务器上,中本聪挖出了 比特币 的第一个区块,并获得了50个比特币的奖励。这标志着加密数字货币时代的来临。
创世区块是区块链技术中的第一个区块,是区块链中非常独特的一环,因为它是第一个区块——整个数字基础设施中唯一没有与前一个区块连接的区块。
比特币最早的挖矿难度只有1个哈希值,可以用最弱的消费者级别的CPU来开采比特币,而且有很大的机会获得比特币。
在随后的几年里,随着交易所建立,比特币持有者之间的交易活动变得更有组织性。挖矿的难度显著增加,它需要越来越强大的处理器,到后来升级到图形处理器。2013年,专门的ASIC挖矿硬件开始出现,性能甚至远远超过最强大的图形处理器。
到2013年底,比特币挖矿难度首次达到了1个Giga hash哈希值。这是创世纪块挖矿难度的1000*1000*1000倍。之后,比特币的挖矿难度又增加了数千倍。
挖矿难度是为了保证让比特币新区块的产生速度在平均每10分钟产生一个而设置的动态参数。
每挖2016个块便会做出一次调整,调整的依据是前面2016个块的出块时间,如果前一个周期平均出块时间小于10分钟,便会加大难度,大于10分钟,则减小难度,目的是为了保证系统稳定的每过10分钟产出一个块,所以难度调整的时间大概是2周(2016 * 10 分钟)。
比特币挖矿形同猜数字谜,矿工要找出一个随机数(Nonce)参与哈希运算 1Hash(Block+Nonce),使得区块哈希值符合难度要求。算力指计算机每秒可执行哈希运算的次数,也称为哈希率(hashrate)。一个矿机每秒钟能做多少次hash碰撞,就是其“算力”的代表,单位写成 hash/s或者H/s。
算力单位:
1 KH/s = 1000 H/s
1 MH/s = 1000 KH/s
1 GH/s = 1000 MH/s
1 TH/s = 1000 GH/s
1 PH/s = 1000 TH/s
1 EH/s = 1000 PH/s
全网算力是btc网络中参与竞争挖矿的所有矿机的算力总和。当前难度周期全网算力会影响下一个周期的难度调整, 如果全网算力增加,挖矿难度增大,单台矿机固定时间的产出就会减少。
那么,已知当前全网算力,下一个周期难度将如何调整呢?
根据公式:
难度 * 2^32 / 全网算力 = 出块时间
出块时间要稳定在10分钟, 也就是600s:
难度 = 600 * 24.42 * 10^18 / 2^32
= 3.46e+12
那么,在3.46e+12的难度下, 一台算力为14TH/s的矿机平均要花多长时间才能出一个块呢?
根据公式:
难度 * 2^32 / 算力 = 出块时间
有:
3.46 * 10^12 * 2^32 / 14 * 10^12
= 1.06e+9 s
结果大概是12270天。
原本中本聪设计的是一个公平的完全去中心化的一个数字货币系统,每个人都可以使用个人电脑进行挖矿。然而,有利可图时大量新算力不断加入,矿工竞争激烈,使得单个矿工的挖矿成功率几乎为零。
2011 年起矿池出现,大量矿工纷纷加入矿池,以稳定收入,摊薄成本。大量算力融入,使得比特币挖矿难度越来越大。数字货币挖矿业形同军事竞备,挖矿设备不断更新迭代,不再遵循摩尔定律。
㈥ 什么是比特币挖矿难度如何调整原理是什么
比特币挖矿难度(Difficulty),是对挖矿困难程度的度量,挖矿难度越大,挖出区块就越困难。目标值(Target)与挖矿难度成反比。难度越高,目标值越小。而难度目标是目标值通过转化得到,是一个只有 4 个字节的字段(为了便于理解,本文将难度目标等同目标值处理)。比特币系统正是通过调整区块头中难度目标来控制挖出区块所需平均时间的。
目标值是个长度为 256 比特的字符串,换句话说目标值约有 2^256 种可能的取值。调整难度目标就是调整目标值在整个输出空间的占比。
举例说明:挖矿就如射击,所有射出去的子弹都会落在一个很大的靶子上。难度目标就是这个大靶子上圈出一个范围,这个范围越小,被射中的难度就越高。调节难度目标,就是调节这个圈在整个靶子上的占比。
挖矿算力增大,单位时间射击的次数就越多,目标范围被射中所需的时间就越短。反之,挖矿算力减小,目标范围被击中所需的时间就越长。而比特币系统追求的平均出块时间为 10 分钟,这时候就需要调整难度目标来实现。
02 如何调整难度目标?
比特币系统是怎样调整难度目标的呢?在《白话区块链入门 080 | 数说比特币,了解 比特币 必须知道这 10 个数字》一文中,我们介绍了比特币系统每过 2016 区块(大约为 14 天时间),会自动调整一次难度目标。所有区块高度为 2016 整数倍的区块,系统就会自动调整难度目标。如果上一个难度目标调整周期(也就是之前 2016 个区块),平均出块时间大于 10 分钟,说明挖矿难度偏高,需要降低挖矿难度,增大难度目标(准确地说是目标值);反之,前一个难度目标调整周期,平均出块时间小于 10 分钟,说明挖矿难度偏低,需要缩小难度目标。
03 难度目标的可调范围
比特币系统设定,难度目标上调和下调的范围都有 4 倍的限制。举例说明:假设上一个难度目标调整周期内的 2016 个区块,由于算力暴涨,只用 7 天就全部挖出来了,通过难度目标调整,将难度目标缩小一倍,可以将平均出块时间维持在 10 分钟左右,但如果算力暴涨,前 2016 个区块全部挖出只用了 1 天,那么难度目标最小只能调整为原来的四分之一。
04 总结
比特币的算力是持续波动的,比特币系统通过难度目标的调整,使得平均出块时间维持在 10 分钟左右。难度目标和挖矿难度成反比,挖矿难度越大,难度目标越小。当区块高度为 2016 的整数倍时,比特币系统就会在该区块上,自动调整难度目标。如果上一个难度目标调整周期内,平均出块时间超过 10 分钟,那么降低挖矿难度,增大难度目标;反之则提高挖矿难度,减小难度目标。难度目标上调和下调的范围都有 4 倍的限制。
比特币每 2016 个区块(大约 14 天)调整一次挖矿难度,相比于 BCH 每个区块都调整(大约 10 分钟调整一次),有明显的滞后性。你认为是哪种调整方式更合理呢?为什么呢?欢迎在留言区分享你的观点。
㈦ 电脑挖矿是什么意思
电脑挖矿是用矿机(电脑)对加密货币(比如比特币Bitcoin)开采的一个过程。开采比特币就像是求解一道数学题,最先得到答案,就获得相应的奖励。 所以整个求解并验证的过程就叫做挖矿,而协助破解数字答案的设备就称为矿机,由此,运行矿机,获得收益的人群就被成为矿工。
一、比特币诞生之初,普通的计算机就可以进行挖矿操作,同时很容易由个人挖出一个块,但是随着比特币的发展、每10分钟出一个块的难度调节机制以及全网算力的不断提高,普通的计算机的计算能力已不足以挖出区块了,由此衍生出了算力更强的专业矿机,也就是ASIC矿机矿机越集中。但是单台ASIC矿机的算力依旧是有限的,面对不断提高的全网算力,矿池作为集中矿工算力的运营商也逐步的出现。比如币印矿池、viapool等等矿池。
二、如何挖矿得到收益矿机越集中? 矿工挖矿的过程就是通过运行比特币节点,同步历史账本,将最新交易记录到账本,并获得比特币区块奖励的一个过程矿机越集中。对比特币网络而言,矿工通过挖矿维护比特币网络安全。对矿工而言,通过挖矿分得比特币奖励。当前比特币爆块/出块奖励为12.5个比特币(编辑日期:2019年9月2日)。 挖矿即工作量证明PoW(Proof of Work)矿机越集中。工作量证明通过计算一个数值( nonce ),使得拼凑上交易数据后计算出的 Hash 值满足规定的上限。在节点成功找到满足的Hash值之后,会马上对全网进行广播,告知全网自己已打包到了新的区块,网络的节点收到广播打包区块后,会立刻对其进行验证。如果验证通过,则表明已经有节点成功解迷,自己就不再竞争当前区块打包,而是选择接受这个区块,记录到自己的账本中,然后进行下一个区块的竞争猜谜。网络中只有最快解谜的区块,才会添加的账本中,其他的节点进行复制,这样就保证了整个账本的唯一性。
三、算力与挖矿收益成正比吗矿机越集中?算力和收益之间的关系:
1)同难度的情况下矿机越集中,算力越高,收益越高;
2)比特币每2016个区块,约两周的时间进行一次难度调整矿机越集中。可能会因为全网难度调整,而出现算力增加,但收益反而减少的情况
3)比特币每4年奖励减半一次,在奖励减半的收益,用户挖矿的收益也随之减半矿机越集中。 算力和收益之间的计算公式: 您一天的挖矿收益=您的算力*一天的时间(86400秒)*块奖励(12.5个比特币)/(全网难度*2^32)
㈧ 中本聪币总量是2100万枚还是21亿枚
比特币的概念最初由中本聪在2008年11月1日提出,于2009年1月3日正式诞生。
同年9月,以雷曼兄弟的倒闭为开端,金融危机在美国爆发并向全世界蔓延。为应对危机,各国政府采取量化宽松等措施,救助 …
比特币的概念最初由中本聪在2008年11月1日提出,于2009年1月3日正式诞生。同年9月,以雷曼兄弟的倒闭为开端,金融危机在美国爆发并向全世界蔓延。为应对危机,各国政府采取量化宽松等措施,救助由于自身过失、陷入危机的大金融机构。
比特币被中本聪设计上限为2100万个。通过限制其最大供应量,并减慢新比特币的出产出速度,中本聪希望每个比特币单位(目前称为“聪”)随着时间的推移而升值。
截止目前为止,已挖矿18535406.25BTC,未挖矿总数2464593.7269BTC。并且每4年比特币“长”出来是需要遵守出产协议,遵循以下两个规则:
1、最开始每10分钟生成50个比特币(每次10分钟的区间由算法来保证稳定不变);
2、每21万次后,比特币的单次产量减半,从50、25、12.5……依此类推,直至总量达到2100万。
根据以上规则,我们只需列出算式,便能得出每次减半(21万次)需要的时间:210000÷(365*24*6)
注:因为每10分钟产出一次,所以每年的次数是365*24*6答案正是4(年),这便是“四年减半”之说的由来。
比特币挖矿难度每2016个区块之后会调整一次。按平均每10分钟挖矿一个区块时间计算,2016个区块对应的时间是14天。
继2020.11.3比特币挖矿难度历史性下调16%之后,因枯水期到来,老旧矿机被淘汰,11.17挖矿难度预计再次下调11%。
㈨ 比特币一个UTXO交易为什么要经过6个区块确认才被认为更改不可逆(或者说几乎不可逆)
你说的是对的,的确会回滚, 如果的交易不幸被打包到分叉上面了,这个交易很有可能会在主链被同步后被取消掉。
至于为什么要6个确认是因为加大蒙出最优解难度(防止单节点造假)。 一个块可能还能蒙出一个最优解,6个块一起蒙出基本上不可能。 跟分叉关系不大
㈩ 知链区块链金融应用实践平台成绩怎么算
1. 工作量证明(PoW)
中本聪在2009年提出的比特币(Bitcoin)是区块链技术最早的应用,其采用PoW作为共识算法,其核心思想是节点间通过哈希算力的竞争来获取记账权和比特币奖励。PoW中,不同节点根据特定信息竞争计算一个数学问题的解,这个数学问题很难求解,但却容易对结果进行验证,最先解决这个数学问题的节点可以创建下一个区块并获得一定数量的币奖励。中本聪在比特币中采用了HashCash[4]机制设计这一数学问题。本节将以比特币采用的PoW算法为例进行说明,PoW的共识步骤如下:
节点收集上一个区块产生后全网待确认的交易,将符合条件的交易记入交易内存池,然后更新并计算内存池中交易的Merkle根的值,并将其写入区块头部;
在区块头部填写如表1.1所示的区块版本号、前一区块的哈希值、时间戳、当前目标哈希值和随机数等信息;
表1.1 区块头部信息
随机数nonce在0到232之间取值,对区块头部信息进行哈希计算,当哈希值小于或等于目标值时,打包并广播该区块,待其他节点验证后完成记账;
一定时间内如果无法计算出符合要求的哈希值,则重复步骤2。如果计算过程中有其他节点完成了计算,则从步骤1重新开始。
比特币产生区块的平均时间为10分钟,想要维持这一速度,就需要根据当前全网的计算能力对目标值(难度)进行调整[5]。难度是对计算产生符合要求的区块困难程度的描述,在计算同一高度区块时,所有节点的难度都是相同的,这也保证了挖矿的公平性。难度与目标值的关系为:
难度值=最大目标值/当前目标值 (1.1)
其中最大目标值和当前目标值都是256位长度,最大目标值是难度为1时的目标值,即2224。假设当前难度为,算力为,当前目标值为,发现新区块的平均计算时间为,则
根据比特币的设计,每产生2016个区块后(约2周)系统会调整一次当前目标值。节点根据前2016个区块的实际生产时间,由公式(1.4)计算出调整后的难度值,如果实际时间生产小于2周,增大难度值;如果实际时间生产大于2周,则减小难度值。根据最长链原则,在不需要节点同步难度信息的情况下,所有节点在一定时间后会得到相同的难度值。
在使用PoW的区块链中,因为网络延迟等原因,当同一高度的两个区块产生的时间接近时,可能会产生分叉。即不同的矿工都计算出了符合要求的某一高度的区块,并得到与其相近节点的确认,全网节点会根据收到区块的时间,在先收到的区块基础上继续挖矿。这种情况下,哪个区块的后续区块先出现,其长度会变得更长,这个区块就被包括进主链,在非主链上挖矿的节点会切换到主链继续挖矿。
PoW共识算法以算力作为竞争记账权的基础,以工作量作为安全性的保障,所有矿工都遵循最长链原则。新产生的区块包含前一个区块的哈希值,现存的所有区块的形成了一条链,链的长度与工作量成正比,所有的节点均信任最长的区块链。如果当某一组织掌握了足够的算力,就可以针对比特币网络发起攻击。当攻击者拥有足够的算力时,能够最先计算出最新的区块,从而掌握最长链。此时比特币主链上的区块大部分由其生成,他可以故意拒绝某些交易的确认和进行双花攻击,这会对比特币网络的可信性造成影响,但这一行为同样会给攻击者带来损失。通过求解一维随机游走问题,可以获得恶意节点攻击成功的概率和算力之间的关系:
图1.1 攻击者算力与攻击成功概率
2. 权益证明(PoS)
随着参与比特币挖矿的人越来越多,PoW的许多问题逐渐显现,例如随着算力竞争迅速加剧,获取代币需要消耗的能源大量增加,记账权也逐渐向聚集了大量算力的“矿池”集中[6-9]。为此,研究者尝试采用新的机制取代工作量证明。PoS的概念在最早的比特币项目中曾被提及,但由于稳健性等原因没被使用。PoS最早的应用是点点币(PPCoin),PoS提出了币龄的概念,币龄是持有的代币与持有时间乘积的累加,计算如公式(1.4)所示。利用币龄竞争取代算力竞争,使区块链的证明不再仅仅依靠工作量,有效地解决了PoW的资源浪费问题。
其中持有时间为某个币距离最近一次在网络上交易的时间,每个节点持有的币龄越长,则其在网络中权益越多,同时币的持有人还会根据币龄来获得一定的收益。点点币的设计中,没有完全脱离工作量证明,PoS机制的记账权的获得同样需要进行简单的哈希计算:
其中proofhash是由权重因子、未消费的产出值和当前时间的模糊和得到的哈希值,同时对每个节点的算力进行了限制,可见币龄与计算的难度成反比。在PoS中,区块链的安全性随着区块链的价值增加而增加,对区块链的攻击需要攻击者积攒大量的币龄,也就是需要对大量数字货币持有足够长的时间,这也大大增加了攻击的难度。与PoW相比,采用PoS的区块链系统可能会面对长程攻击(Long Range Attack)和无利害攻击(Nothing at Stake)。
除了点点币,有许多币也使用了PoS,但在记账权的分配上有着不同的方法。例如,未来币(Nxt)和黑币(BlackCion)结合节点所拥有的权益,使用随机算法分配记账权。以太坊也在逐步采用PoS代替PoW。
3. 委托权益证明(DPoS)
比特币设计之初,希望所有挖矿的参与者使用CPU进行计算,算力与节点匹配,每一个节点都有足够的机会参与到区块链的决策当中。随着技术的发展,使用GPU、FPGA、ASIC等技术的矿机大量出现,算力集中于拥有大量矿机的参与者手中,而普通矿工参与的机会大大减小。
采用DPoS的区块链中,每一个节点都可以根据其拥有的股份权益投票选取代表,整个网络中参与竞选并获得选票最多的n个节点获得记账权,按照预先决定的顺序依次生产区块并因此获得一定的奖励。竞选成功的代表节点需要缴纳一定数量的保证金,而且必须保证在线的时间,如果某时刻应该产生区块的节点没有履行职责,他将会被取消代表资格,系统将继续投票选出一个新的代表来取代他。
DPoS中的所有节点都可以自主选择投票的对象,选举产生的代表按顺序记账,与PoW及PoS相比节省了计算资源,而且共识节点只有确定的有限个,效率也得到了提升。而且每个参与节点都拥有投票的权利,当网络中的节点足够多时,DPoS的安全性和去中心化也得到了保证。
4. 实用拜占庭容错算法(PBFT)
在PBFT算法中,所有节点都在相同的配置下运行,且有一个主节点,其他节点作为备份节点。主节点负责对客户端的请求进行排序,按顺序发送给备份节点。存在视图(View)的概念,在每个视图中,所有节点正常按照处理消息。但当备份节点检查到主节点出现异常,就会触发视图变换(View Change)机制更换下一编号的节点为主节点,进入新的视图。PBFT中客户端发出请求到收到答复的主要流程如图4.1所示[10] [11],服务器之间交换信息3次,整个过程包含以下五个阶段:
图4.1 PBFT执行流程
目前以PBFT为代表的拜占庭容错算法被许多区块链项目所使用。在联盟链中,PBFT算法最早是被Hyper ledger Fabric项目采用。Hyperledger Fabric在0.6版本中采用了PBFT共识算法,授权和背书的功能集成到了共识节点之中,所有节点都是共识节点,这样的设计导致了节点的负担过于沉重,对TPS和扩展性有很大的影响。1.0之后的版本都对节点的功能进行了分离,节点分成了三个背书节点(Endorser)、排序节点(Orderer)和出块节点(Committer),对节点的功能进行了分离,一定程度上提高了共识的效率。
Cosmos项目使用的Tendermint[12]算法结合了PBFT和PoS算法,通过代币抵押的方式选出部分共识节点进行BFT的共识,其减弱了异步假设并在PBFT的基础上融入了锁的概念,在部分同步的网络中共识节点能够通过两阶段通信达成共识。系统能够容忍1/3的故障节点,且不会产生分叉。在Tendermint的基础上,Hotstuff[13]将区块链的块链式结构和BFT的每一阶段融合,每阶段节点间对前一区块签名确认与新区块的构建同时进行,使算法在实现上更为简单,Hotstuff还使用了门限签名[14]降低算法的消息复杂度。
5. Paxos与Raft
共识算法是为了保障所存储信息的准确性与一致性而设计的一套机制。在传统的分布式系统中,最常使用的共识算法是基于Paxos的算法。在拜占庭将军问题[3]提出后,Lamport在1990年提出了Paxos算法用于解决特定条件下的系统一致性问题,Lamport于1998年重新整理并发表Paxos的论文[15]并于2001对Paxos进行了重新简述[16]。随后Paxos在一致性算法领域占据统治地位并被许多公司所采用,例如腾讯的Phxpaxos、阿里巴巴的X-Paxos、亚马逊的AWS的DynamoDB和谷歌MegaStore[17]等。这一类算法能够在节点数量有限且相对可信任的情况下,快速完成分布式系统的数据同步,同时能够容忍宕机错误(Crash Fault)。即在传统分布式系统不需要考虑参与节点恶意篡改数据等行为,只需要能够容忍部分节点发生宕机错误即可。但Paxos算法过于理论化,在理解和工程实现上都有着很大的难度。Ongaro等人在2013年发表论文提出Raft算法[18],Raft与Paxos同样的效果并且更便于工程实现。
Raft中领导者占据绝对主导地位,必须保证服务器节点的绝对安全性,领导者一旦被恶意控制将造成巨大损失。而且交易量受到节点最大吞吐量的限制。目前许多联盟链在不考虑拜占庭容错的情况下,会使用Raft算法来提高共识效率。
6. 结合VRF的共识算法
在现有联盟链共识算法中,如果参与共识的节点数量增加,节点间的通信也会增加,系统的性能也会受到影响。如果从众多候选节点中选取部分节点组成共识组进行共识,减少共识节点的数量,则可以提高系统的性能。但这会降低安全性,而且候选节点中恶意节点的比例越高,选出来的共识组无法正常运行的概率也越高。为了实现从候选节点选出能够正常运行的共识组,并保证系统的高可用性,一方面需要设计合适的随机选举算法,保证选择的随机性,防止恶意节点对系统的攻击。另一方面需要提高候选节点中的诚实节点的比例,增加诚实节点被选进共识组的概率。
当前在公有链往往基于PoS类算法,抵押代币增加共识节点的准入门槛,通过经济学博弈增加恶意节点的作恶成本,然后再在部分通过筛选的节点中通过随机选举算法,从符合条件的候选节点中随机选举部分节点进行共识。
Dodis等人于1999年提出了可验证随机函数(Verifiable Random Functions,VRF)[19]。可验证随机函数是零知识证明的一种应用,即在公私钥体系中,持有私钥的人可以使用私钥和一条已知信息按照特定的规则生成一个随机数,在不泄露私钥的前提下,持有私钥的人能够向其他人证明随机数生成的正确性。VRF可以使用RSA或者椭圆曲线构建,Dodis等人在2002年又提出了基于Diffie-Hellman 困难性问题的可验证随机函数构造方法[20],目前可验证随机函数在密钥传输领域和区块链领域都有了应用[21]。可验证随机函数的具体流程如下:
在公有链中,VRF已经在一些项目中得到应用,其中VRF多与PoS算法结合,所有想要参与共识的节点质押一定的代币成为候选节点,然后通过VRF从众多候选节点中随机选出部分共识节点。Zilliqa网络的新节点都必须先执行PoW,网络中的现有节点验证新节点的PoW并授权其加入网络。区块链项目Ontology设计的共识算法VBFT将VRF、PoS和BFT算法相结合,通过VRF在众多候选节点中随机选出共识节点并确定共识节点的排列顺序,可以降低恶意分叉对区块链系统的影响,保障了算法的公平性和随机性。图灵奖获得者Micali等人提出的Algorand[22]将PoS和VRF结合,节点可以采用代币质押的方式成为候选节点,然后通过非交互式的VRF算法选择部分节点组成共识委员会,然后由这部分节点执行类似PBFT共识算法,负责交易的快速验证,Algorand可以在节点为诚实节点的情况下保证系统正常运行。Kiayias等人提出的Ouroboros[23]在第二个版本Praos[24]引入了VRF代替伪随机数,进行分片中主节点的选择。以Algorand等算法使用的VRF算法为例,主要的流程如下:
公有链中设计使用的VRF中,节点被选为记账节点的概率往往和其持有的代币正相关。公有链的共识节点范围是无法预先确定的,所有满足代币持有条件的节点都可能成为共识节点,系统需要在数量和参与度都随机的节点中选择部分节点进行共识。而与公有链相比,联盟链参与共识的节点数量有限、节点已知,这种情况下联盟链节点之间可以通过已知的节点列表进行交互,这能有效防止公有链VRF设计时可能遇到的女巫攻击问题。
7. 结合分片技术的公式算法
分片技术是数据库中的一种技术,是将数据库中的数据切成多个部分,然后分别存储在多个服务器中。通过数据的分布式存储,提高服务器的搜索性能。区块链中,分片技术是将交易分配到多个由节点子集组成的共识组中进行确认,最后再将所有结果汇总确认的机制。分片技术在区块链中已经有一些应用,许多区块链设计了自己的分片方案。
Luu等人于2017年提出了Elastico协议,最先将分片技术应用于区块链中[25]。Elastico首先通过PoW算法竞争成为网络中的记账节点。然后按照预先确定的规则,这些节点被分配到不同的分片委员会中。每个分片委员会内部执行PBFT等传统拜占庭容错的共识算法,打包生成交易集合。在超过的节点对该交易集合进行了签名之后,交易集合被提交给共识委员会,共识委员会在验证签名后,最终将所有的交易集合打包成区块并记录在区块链上。
Elastico验证了分片技术在区块链中的可用性。在一定规模内,分片技术可以近乎线性地拓展吞吐量。但Elastico使用了PoW用于选举共识节点,这也导致随机数产生过程及PoW竞争共识节点的时间过长,使得交易延迟很高。而且每个分片内部采用的PBFT算法通讯复杂度较高。当单个分片中节点数量较多时,延迟也很高。
在Elastico的基础上,Kokoris-Kogias等人提出OmniLedger[26],用加密抽签协议替代了PoW选择验证者分组,然后通过RandHound协议[27]将验证者归入不同分片。OmniLedger。OmniLedger在分片中仍然采用基于PBFT的共识算法作为分片中的共识算法[28],并引入了Atomix协议处理跨分片的交易,共识过程中节点之间通信复杂度较高。当分片中节点数量增多、跨分片交易增多时,系统TPS会显著下降。
Wang等人在2019年提出了Monoxide[29]。在PoW区块链系统中引入了分片技术,提出了连弩挖矿算法(Chu ko-nu mining algorithm),解决了分片造成的算力分散分散问题,使得每个矿工可以同时在不同的分片进行分片,在不降低安全性的情况下提高了PoW的TPS。