15种区块链共识算法全面详解
1，摘要
本文盡可能列出所有主要的共識(shí)算法，評(píng)估各自的優(yōu)劣之處。共識(shí)算法是區(qū)塊鏈的核心技術(shù)，本文會(huì)跟隨作者的理解，持續(xù)更新。如果讀者發(fā)現(xiàn)有所遺漏，或是存在錯(cuò)誤，希望能通過(guò)評(píng)論指出。
2，區(qū)塊鏈共識(shí)算法
2.1 工作量證明（PoW，Proof of Work）
優(yōu)點(diǎn)： 自2009年以來(lái)得到了廣泛測(cè)試，目前依然得到廣泛的使用。
不足：速度慢。耗能巨大，對(duì)環(huán)境不好。易受“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”（economies of scale）的影響。
使用者： Bitcoin、Ethereum、LiteCoin、Dogecoin等。
類(lèi)型：有競(jìng)爭(zhēng)共識(shí)(Competive consensus）。
解釋：PoW是是首個(gè)共識(shí)算法。它是由中本聰在他的論文中提出的，用于建立分布式無(wú)信任共識(shí)并識(shí)別“雙重支付”（double spend）問(wèn)題。PoW并非一個(gè)新理念，但是中本聰將Pow與加密簽名、Merkle鏈和P2P網(wǎng)絡(luò)等已有理念結(jié)合，形成一種可用的分布式共識(shí)系統(tǒng)。加密貨幣是這樣系統(tǒng)的首個(gè)基礎(chǔ)和應(yīng)用，因而獨(dú)具創(chuàng)新性。
在PoW的工作方式中，區(qū)塊鏈參與者（稱(chēng)為“礦工”）要在區(qū)塊鏈中添加一塊交易，必須解決某種“復(fù)雜但是無(wú)用”的計(jì)算問(wèn)題。
只要由礦工提交的工作有超過(guò)一半是值得信任的，那么Bitcoin就是安全的。
從某種角度來(lái)看，PoW有點(diǎn)像買(mǎi)彩票，只是概率高一點(diǎn)而已。
技術(shù)原理：
工作量證明最核心的技術(shù)原理是散列函數(shù)（哈希）。在比特幣中，PoW工作其實(shí)就是如何去計(jì)算一個(gè)區(qū)塊的目標(biāo)哈希值問(wèn)題，讓用戶(hù)進(jìn)行大量的窮舉運(yùn)算，同時(shí)得出這個(gè)哈希值還必須滿足一些必要條件，這個(gè)條件在區(qū)塊鏈中其實(shí)就是一個(gè)難度系數(shù)值，通過(guò)計(jì)算出的哈希值是否符合前面N位全是0，最終達(dá)成工作量證明。
舉個(gè)例子：
比如現(xiàn)在給出一個(gè)固定的字符串“Hello, blockchain”，現(xiàn)在要求計(jì)算的難題是將這個(gè)字符串與一個(gè)隨機(jī)數(shù)（Nonce）拼接起來(lái)，并通過(guò)SHA256哈希計(jì)算一個(gè)固定256位長(zhǎng)度的哈希值，如果計(jì)算結(jié)果得到的前5位全是0，即認(rèn)為滿足計(jì)算條件，同時(shí)得到的隨機(jī)數(shù)（Nonce）值證明為達(dá)成工作量證明的有效隨機(jī)數(shù)。
2.2 權(quán)益證明（PoS，Proof of Stake）
優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能、攻擊者代價(jià)更大、不易受“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”的影響。
不足：“無(wú)利害關(guān)系“（Nothing at stake）”攻擊問(wèn)題。
使用者：Ethereum（即將推出）、Peercoin、Nxt。
類(lèi)型：有競(jìng)爭(zhēng)共識(shí)。
解釋：
類(lèi)似于財(cái)產(chǎn)儲(chǔ)存在銀行，這種模式會(huì)根據(jù)你持有數(shù)字貨幣的量和時(shí)間，分配給你相應(yīng)的利息。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)根據(jù)你持有貨幣的量和時(shí)間，給你發(fā)利息的一個(gè)制度，在股權(quán)證明POS模式下，有一個(gè)名詞叫幣齡，每個(gè)幣每天產(chǎn)生1幣齡，比如你持有100個(gè)幣，總共持有了30天，那么，此時(shí)你的幣齡就為3000，這個(gè)時(shí)候，如果你發(fā)現(xiàn)了一個(gè)POS區(qū)塊，你的幣齡就會(huì)被清空為0。你每被清空365幣齡，你將會(huì)從區(qū)塊中獲得0.05個(gè)幣的利息(假定利息可理解為年利率5%)，那么在這個(gè)案例中，利息 = 3000 * 5% / 365 = 0.41個(gè)幣，這下就很有意思了，持幣有利息。以太坊就是采用POS共識(shí)算法。
從某種角度來(lái)看，PoS有點(diǎn)像銀行存款，你持有的時(shí)間越長(zhǎng)，本金越大，你得到的利息會(huì)越多。
技術(shù)原理：
每個(gè)曠工都有出塊(即挖礦)的權(quán)力，只要出塊成功，就有系統(tǒng)給出的獎(jiǎng)勵(lì)，這里不需要通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算來(lái)挖礦，問(wèn)題只在于誰(shuí)來(lái)出塊，股權(quán)越大，出塊的概率就越大，反之，則相反。POS有很多變種，股權(quán)可以是持有幣的數(shù)量，或者支付的數(shù)量等等。
go的demo代碼實(shí)現(xiàn):
package mainimport ("time""strconv""crypto/sha256""math/rand""fmt""encoding/hex" )//實(shí)現(xiàn)pos挖礦的原理type Block struct {Index intData string //PreHash stringHash stringTimestamp string//記錄挖礦節(jié)點(diǎn)Validator *Node}func genesisBlock() Block {var genesBlock = Block{0, "Genesis block","","",time.Now().String(),&Node{0, 0, "dd"}}genesBlock.Hash = hex.EncodeToString(BlockHash(&genesBlock))return genesBlock }func BlockHash(block *Block) []byte {record := strconv.Itoa(block.Index) + block.Data + block.PreHash + block.Timestamp + block.Validator.Addressh := sha256.New()h.Write([]byte(record))hashed := h.Sum(nil)return hashed }//創(chuàng)建全節(jié)點(diǎn)類(lèi)型 type Node struct {Tokens int //持幣數(shù)量Days int //持幣時(shí)間Address string //地址 }//創(chuàng)建5個(gè)節(jié)點(diǎn) //算法的實(shí)現(xiàn)要滿足 持幣越多的節(jié)點(diǎn)越容易出塊 var nodes = make([]Node, 5) //存放節(jié)點(diǎn)的地址 var addr = make([]*Node, 15)func InitNodes() {nodes[0] = Node{1, 1, "0x12341"}nodes[1] = Node{2, 1, "0x12342"}nodes[2] = Node{3, 1, "0x12343"}nodes[3] = Node{4, 1, "0x12344"}nodes[4] = Node{5, 1, "0x12345"}cnt :=0for i:=0;i<5;i++ {for j:=0;j<nodes[i].Tokens * nodes[i].Days;j++{addr[cnt] = &nodes[i]cnt++}}}//采用Pos共識(shí)算法進(jìn)行挖礦 func CreateNewBlock(lastBlock *Block, data string) Block{var newBlock BlocknewBlock.Index = lastBlock.Index + 1newBlock.Timestamp = time.Now().String()newBlock.PreHash = lastBlock.HashnewBlock.Data = data//通過(guò)pos計(jì)算由那個(gè)村民挖礦//設(shè)置隨機(jī)種子rand.Seed(time.Now().Unix())//[0,15)產(chǎn)生0-15的隨機(jī)值var rd =rand.Intn(15)//選出挖礦的曠工node := addr[rd]//設(shè)置當(dāng)前區(qū)塊挖礦地址為曠工newBlock.Validator = node//簡(jiǎn)單模擬 挖礦所得獎(jiǎng)勵(lì)node.Tokens += 1newBlock.Hash = hex.EncodeToString(BlockHash(&newBlock))return newBlock }func main() {InitNodes()//創(chuàng)建創(chuàng)世區(qū)塊var genesisBlock = genesisBlock()//創(chuàng)建新區(qū)快var newBlock = CreateNewBlock(&genesisBlock, "new block")//打印新區(qū)快信息fmt.Println(newBlock)fmt.Println(newBlock.Validator.Address)fmt.Println(newBlock.Validator.Tokens)}輸出結(jié)果： {1 new block
72e8838ad3bb761c7d3ba42c4e6bad86409dd3f4ce958c890409c4b9ddf44171
e4f9575cfb14ee146810862c9e5cc78ebff185f5888f428dbb945bd9060b31f7
2018-06-29 19:29:04.827332898 +0800 CST m=+0.000837770 0xc42007e0a0}
0x12341
2.3 委任權(quán)益證明（DPOS，Delegated Proof-of-Stake）
優(yōu)點(diǎn)：
節(jié)能、快速、高流量博客網(wǎng)站Steemit就使用了它。EOS 的塊時(shí)間是 0.5 秒。
不足：
略為中心化、擁有高權(quán)益的參與者可投票使自己成為一名驗(yàn)證者。這是近期已在 EOS 中出現(xiàn)的問(wèn)題。
采用者：BitShares、Steemit、EOS、Lisk、Ark。
類(lèi)型：協(xié)同型共識(shí)
解釋：在 DPoS 系統(tǒng)中，權(quán)益持有者可以選舉領(lǐng)導(dǎo)者（或稱(chēng)為見(jiàn)證人，Witness）。經(jīng)權(quán)益持有者授權(quán)，這些領(lǐng)導(dǎo)者可進(jìn)行投票。該機(jī)制使得 DPoS 要快于正常的 PoS。
例如，EOS 中選舉出 21 位見(jiàn)證人，并且有一堆節(jié)點(diǎn)（潛在的見(jiàn)證人）作為候選者。一旦見(jiàn)證人節(jié)點(diǎn)死亡或是做出了惡意行為，新節(jié)點(diǎn)就會(huì)立刻替代見(jiàn)證人節(jié)點(diǎn)。見(jiàn)證人會(huì)因?yàn)樯蓞^(qū)塊而獲得一筆支付費(fèi)用。該費(fèi)用是由權(quán)益持有者設(shè)立的 。
通常，所有節(jié)點(diǎn)采用輪詢(xún)方式，一次生成一個(gè)區(qū)塊。該機(jī)制防止一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)布連續(xù)的塊，進(jìn)而執(zhí)行“雙重支付”攻擊。如果一個(gè)見(jiàn)證人在分配給他的時(shí)間槽中未生成區(qū)塊，那么該時(shí)間槽就被跳過(guò)，并由下一位見(jiàn)證人生成下一個(gè)區(qū)塊。如果見(jiàn)證人持續(xù)丟失他的區(qū)塊，或是發(fā)布了錯(cuò)誤的交易，那么權(quán)益持有者將投票決定其退出，用更好的見(jiàn)證人替換他。
在 DPoS 中，礦工可以合作生成塊，而不是像在 PoW 和 PoS 中那樣競(jìng)爭(zhēng)生成。通過(guò)區(qū)塊生成的部分中心化，DPoS 的運(yùn)行可以比其它共識(shí)算法呈數(shù)量級(jí)快。
從某種角度來(lái)看，DPOS有點(diǎn)像是議會(huì)制度或人民代表大會(huì)制度。如果代表不能履行他們的職責(zé)（當(dāng)輪到他們時(shí)，沒(méi)能生成區(qū)塊），他們會(huì)被除名，網(wǎng)絡(luò)會(huì)選出新的超級(jí)節(jié)點(diǎn)來(lái)取代他們。EOS就是采用DPOS共識(shí)算法。
技術(shù)原理：
假設(shè)n為21，競(jìng)選的節(jié)點(diǎn)有幾百個(gè)，持幣人對(duì)這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行投票，選出票數(shù)最多的21位，由這21位輪流來(lái)出塊。
GO DEMO簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)：
輸出結(jié)果： [{NODE 1 num 0} {NODE 2 num 0} {NODE 3 num 0} {NODE 4 num 0}
{NODE 5 num 0} {NODE 6 num 0} {NODE 7 num 0} {NODE 8 num 0} {NODE 9
num 0} {NODE 10 num 0}] [{NODE 1 num 3} {NODE 2 num 3} {NODE 3 num 3}]
區(qū)塊號(hào): 0 節(jié)點(diǎn)名稱(chēng): Genis Block 節(jié)點(diǎn)投票數(shù): 0 區(qū)塊號(hào): 1 節(jié)點(diǎn)名稱(chēng): NODE 1 num 節(jié)點(diǎn)投票數(shù): 3
區(qū)塊號(hào): 2 節(jié)點(diǎn)名稱(chēng): NODE 2 num 節(jié)點(diǎn)投票數(shù): 3
2.4 拜占庭容錯(cuò)（PBFT，Practical Byzantine Fault Tolerance）
優(yōu)點(diǎn)：高速、可擴(kuò)展。
不足：通常用于私有網(wǎng)絡(luò)和許可網(wǎng)絡(luò)。
采用者：Hyperledger Fabric、Stellar、Ripple、Dispatch
解釋：拜占庭將軍問(wèn)題是分布式計(jì)算中的一個(gè)經(jīng)典問(wèn)題。問(wèn)題描述為，幾位拜占庭將軍分別率領(lǐng)部隊(duì)合力包圍了一座城市。他們必須一致決定是否發(fā)起攻城。如果一些將軍在沒(méi)有其他將軍參與的情況下決定發(fā)起攻城，那么他們的行動(dòng)將以失敗告終。將軍們之間相互隔著一定的距離，必須依靠信息傳遞進(jìn)行交流。 一些加密貨幣協(xié)議在達(dá)成共識(shí)時(shí)使用了特定版本的 BFT，每種版本都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：
[1] 實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（PBFT，Practical Byzantine Fault Tolerance）：首個(gè)提出的該問(wèn)題解決方案稱(chēng)為“實(shí)用拜占庭容錯(cuò)”（PBFT），當(dāng)前已被 Hyperledger Fabric 采用。PBFT 使用了較少（少于 20 個(gè)，之后會(huì)稍有增加）的預(yù)選定將軍數(shù)，因此運(yùn)行非常高效。它的優(yōu)點(diǎn)是高交易通量和吞吐量，但是不足之處在于是中心化的，并用于許可網(wǎng)絡(luò)。
從某種角度來(lái)看，PBFT有點(diǎn)像《天黑請(qǐng)閉眼殺人游戲》的玩法。
[2] 聯(lián)邦拜占庭協(xié)議（FBA，Federated Byzantine Agreement）：另一類(lèi)拜占庭將軍問(wèn)題的解決方案是 FBA，已被 Stellar 和 Ripple 等代幣使用。FBA 的通用理念是每個(gè)拜占庭將軍負(fù)責(zé)自身的鏈、消息一旦到來(lái)，通過(guò)排序建立事實(shí)。在 Ripple 中，將軍（驗(yàn)證者）是 Ripple 基金會(huì)預(yù)先選定的。在 Stellar 中，任何人都可以成為驗(yàn)證者，需要用戶(hù)選擇去相信哪個(gè)驗(yàn)證者。
由于 FBA 可提供令人難以置信的吞吐量、低交易開(kāi)銷(xiāo)和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性，我相信 FBA 類(lèi)公式算法是目前提出的最好的分布式共識(shí)發(fā)現(xiàn)算法。
技術(shù)原理：
PBFT基于拜占庭將軍問(wèn)題，一致性的確保主要分為這三個(gè)階段：預(yù)準(zhǔn)備（pre-prepare）、準(zhǔn)備(prepare)和確認(rèn)(commit)。流程如下圖所示：
其中C為發(fā)送請(qǐng)求端，0123為服務(wù)端，3為宕機(jī)的服務(wù)端，具體步驟如下：
1.Request：請(qǐng)求端C發(fā)送請(qǐng)求到任意一節(jié)點(diǎn)，這里是0
2.Pre-Prepare：服務(wù)端0收到C的請(qǐng)求后進(jìn)行廣播，擴(kuò)散至123
3.Prepare：123,收到后記錄并再次廣播，1->023，2->013，3因?yàn)殄礄C(jī)無(wú)法廣播
4.Commit：0123節(jié)點(diǎn)在Prepare階段，若收到超過(guò)一定數(shù)量的相同請(qǐng)求，則進(jìn)入Commit階段，廣播Commit請(qǐng)求；
5.Reply：0123節(jié)點(diǎn)在Commit階段，若收到超過(guò)一定數(shù)量的相同請(qǐng)求，則對(duì)C進(jìn)行反饋；
更多原理細(xì)節(jié)可參考《第13課 共識(shí)層PBFT共識(shí)算法》
)
GO demo代碼樣例：
package mainimport ("os""fmt""net/http""io" )//聲明節(jié)點(diǎn)信息,代表各個(gè)小國(guó)家 type nodeInfo struct {//標(biāo)示id string//準(zhǔn)備訪問(wèn)的方法path string//服務(wù)器做出的相應(yīng)writer http.ResponseWriter}//存放四個(gè)國(guó)家的地址 var nodeTable = make(map[string]string)//拜占庭在Fabric中的使用 func main() {//獲取執(zhí)行的參數(shù)userId :=os.Args[1]//獲取執(zhí)行的第一個(gè)參數(shù)fmt.Println(userId)//./main Apple//創(chuàng)建四個(gè)國(guó)家的地址nodeTable = map[string]string {"Apple":"localhost:1111","MS":"localhost:1112","Google":"localhost:1113","IBM":"localhost:1114",}node:=nodeInfo{userId,nodeTable[userId],nil}fmt.Println(node)//http協(xié)議的回調(diào)函數(shù)//http://localhost:1111/req?warTime=8888http.HandleFunc("/req",node.request)http.HandleFunc("/prePrepare",node.prePrepare)http.HandleFunc("/prepare",node.prepare)http.HandleFunc("/commit",node.commit)//啟動(dòng)服務(wù)器if err:=http.ListenAndServe(node.path,nil);err!=nil {fmt.Print(err)}}//此函數(shù)是http訪問(wèn)時(shí)候req命令的請(qǐng)求回調(diào)函數(shù) func (node *nodeInfo)request(writer http.ResponseWriter,request *http.Request){//設(shè)置允許解析參數(shù)request.ParseForm()//如果有參數(shù)值，則繼續(xù)處理if (len(request.Form["warTime"])>0){node.writer = writer//激活主節(jié)點(diǎn)后，廣播給其他節(jié)點(diǎn),通過(guò)Ａpple向其他節(jié)點(diǎn)做廣播node.broadcast(request.Form["warTime"][0],"/prePrepare")}}//由主節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)做廣播 func (node *nodeInfo)broadcast(msg string ,path string ){//遍歷所有的國(guó)家for nodeId,url:=range nodeTable {if nodeId == node.id {continue}//調(diào)用Get請(qǐng)求//http.Get("http://localhost:1112/prePrepare?warTime=8888&nodeId=Apple")http.Get("http://"+url+path+"?warTime="+msg+"&nodeId="+node.id)}}func (node *nodeInfo)prePrepare(writer http.ResponseWriter,request *http.Request) {request.ParseForm()//fmt.Println("hello world")//在做分發(fā)if(len(request.Form["warTime"])>0){//分發(fā)給其他三個(gè)人node.broadcast(request.Form["warTime"][0],"/prepare")}}func (node *nodeInfo)prepare(writer http.ResponseWriter,request *http.Request){request.ParseForm()//調(diào)用驗(yàn)證if len(request.Form["warTime"])>0{fmt.Println(request.Form["warTime"][0])}if len(request.Form["nodeId"])>0 {fmt.Println(request.Form["nodeId"][0])}node.authentication(request) }var authenticationsuccess = true var authenticationMap = make(map[string]string) //獲得除了本節(jié)點(diǎn)外的其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù) func (node *nodeInfo)authentication(request *http.Request) {//接收參數(shù)request.ParseForm()if authenticationsuccess!=false {if len(request.Form["nodeId"])>0 {authenticationMap[request.Form["nodeId"][0]]="ok"}}if len(authenticationMap)>len(nodeTable)/3 {//則拜占庭原理實(shí)現(xiàn),通過(guò)commit反饋給瀏覽器node.broadcast(request.Form["warTime"][0],"/commit")} }func (node *nodeInfo)commit(writer http.ResponseWriter,request *http.Request){//給瀏覽器反饋相應(yīng)io.WriteString(node.writer,"ok")}如何運(yùn)行：開(kāi)啟4個(gè)終端，eg：
./pbft Apple ./pbft IBM ./pbft MS ./pbft Google然后在瀏覽器輸入：http://localhost:1112/req?warTime=1234 輸出結(jié)果：
okokok2.5 分布式一致性協(xié)議- RAFT算法
優(yōu)點(diǎn)：
模型比Paxos更簡(jiǎn)單，但提供了同等的安全性。有多種語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)可用。
不足：通常用于私有網(wǎng)絡(luò)和許可網(wǎng)絡(luò)。
采用者：IPFS Private Cluster、Quorum。
解釋：
將拜占庭將軍問(wèn)題根據(jù)常見(jiàn)的工作上的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化：假設(shè)將軍中沒(méi)有叛軍，信使的信息可靠但有可能被暗殺的情況下，將軍們?nèi)绾芜_(dá)成一致性決定？
對(duì)于這個(gè)簡(jiǎn)化后的問(wèn)題，有許多解決方案，第一個(gè)被證明的共識(shí)算法是 Paxos，由拜占庭將軍問(wèn)題的作者 Leslie Lamport 在1990年提出，但其論文難懂而出名，所以斯坦福大學(xué)的教授在2014年發(fā)表了新的分布式協(xié)議 Raft。與 Paxos 相比，Raft 有著基本相同運(yùn)行效率，但是更容易理解，也更容易被用在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上。
我們還是用拜占庭將軍的例子來(lái)幫助理解 Raft。
Raft 的解決方案大概可以理解成 先在所有將軍中選出一個(gè)大將軍，所有的決定由大將軍來(lái)做。選舉環(huán)節(jié)：比如說(shuō)現(xiàn)在一共有3個(gè)將軍 A, B, C，每個(gè)將軍都有一個(gè)隨機(jī)時(shí)間的倒計(jì)時(shí)器，倒計(jì)時(shí)一結(jié)束，這個(gè)將軍就會(huì)把自己當(dāng)成大將軍候選人，然后派信使去問(wèn)其他幾個(gè)將軍，能不能選我為總將軍？假設(shè)現(xiàn)在將軍A倒計(jì)時(shí)結(jié)束了，他派信使傳遞選舉投票的信息給將軍B和C，如果將軍B和C還沒(méi)把自己當(dāng)成候選人（倒計(jì)時(shí)還沒(méi)有結(jié)束），并且沒(méi)有把選舉票投給其他，他們把票投給將軍A，信使在回到將軍A時(shí)，將軍A知道自己收到了足夠的票數(shù)，成為了大將軍。在這之后，是否要進(jìn)攻就由大將軍決定，然后派信使去通知另外兩個(gè)將軍，如果在一段時(shí)間后還沒(méi)有收到回復(fù)（可能信使被暗殺），那就再重派一個(gè)信使，直到收到回復(fù)。
技術(shù)原理：
Raft要求系統(tǒng)在任意時(shí)刻最多只有一個(gè)Leader，正常工作期間只有Leader和Followers。Raft算法將時(shí)間分為一個(gè)個(gè)的任期（term），每一個(gè)term的開(kāi)始都是Leader選舉。在成功選舉Leader之后，Leader會(huì)在整個(gè)term內(nèi)管理整個(gè)集群。如果Leader選舉失敗，該term就會(huì)因?yàn)闆](méi)有Leader而結(jié)束。
（1）Raft 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)
從拜占庭將軍的故事映射到分布式系統(tǒng)上，每個(gè)將軍相當(dāng)于一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三種狀態(tài)：Follower，Candidate，Leader，狀態(tài)之間是互相轉(zhuǎn)換的，可以參考下圖：
每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都有一個(gè)倒計(jì)時(shí)器 (Election Timeout)，時(shí)間隨機(jī)在 150ms 到 300ms 之間。有幾種情況會(huì)重設(shè) Timeout：
（1）收到選舉的請(qǐng)求
（2）收到 Leader 的 Heartbeat (后面會(huì)講到)
在 Raft 運(yùn)行過(guò)程中，最主要進(jìn)行兩個(gè)活動(dòng)：
（1）選主 Leader Election
（2）復(fù)制日志 Log Replication
技術(shù)原理
（1）選主 Leader Election
1）正常情況下選主
假設(shè)現(xiàn)在有如圖5個(gè)節(jié)點(diǎn)，5個(gè)節(jié)點(diǎn)一開(kāi)始的狀態(tài)都是 Follower。
在一個(gè)節(jié)點(diǎn)倒計(jì)時(shí)結(jié)束 (Timeout) 后，這個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變成 Candidate 開(kāi)始選舉，它給其他幾個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送選舉請(qǐng)求 (RequestVote)
其他四個(gè)節(jié)點(diǎn)都返回成功，這個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)由 Candidate 變成了 Leader，并在每個(gè)一小段時(shí)間后，就給所有的 Follower 發(fā)送一個(gè) Heartbeat 以保持所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，Follower 收到 Leader 的 Heartbeat 后重設(shè) Timeout。
這是最簡(jiǎn)單的選主情況，只要有超過(guò)一半的節(jié)點(diǎn)投支持票了，Candidate 才會(huì)被選舉為 Leader，5個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況下，3個(gè)節(jié)點(diǎn) (包括 Candidate 本身) 投了支持就行。
（2） 2.2 Leader 出故障情況下的選主
一開(kāi)始已經(jīng)有一個(gè) Leader，所有節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行。
Leader 出故障掛掉了，其他四個(gè) Follower 將進(jìn)行重新選主。
4個(gè)節(jié)點(diǎn)的選主過(guò)程和5個(gè)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)似，在選出一個(gè)新的 Leader 后，原來(lái)的 Leader 恢復(fù)了又重新加入了，這個(gè)時(shí)候怎么處理？在 Raft 里，第幾輪選舉是有記錄的，重新加入的 Leader 是第一輪選舉 (Term 1) 選出來(lái)的，而現(xiàn)在的 Leader 則是 Term 2，所有原來(lái)的 Leader 會(huì)自覺(jué)降級(jí)為 Follower
（3）2.3 多個(gè) Candidate 情況下的選主
假設(shè)一開(kāi)始有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，都還是 Follower。
有兩個(gè) Follower 同時(shí) Timeout，都變成了 Candidate 開(kāi)始選舉，分別給一個(gè) Follower 發(fā)送了投票請(qǐng)求。
兩個(gè) Follower 分別返回了ok，這時(shí)兩個(gè) Candidate 都只有2票，要3票才能被選成 Leader。
兩個(gè) Candidate 會(huì)分別給另外一個(gè)還沒(méi)有給自己投票的 Follower 發(fā)送投票請(qǐng)求。
但是因?yàn)?Follower 在這一輪選舉中，都已經(jīng)投完票了，所以都拒絕了他們的請(qǐng)求。所以在 Term 2 沒(méi)有 Leader 被選出來(lái)。
這時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)是 Candidate，兩個(gè)是 Follower，但是他們的倒計(jì)時(shí)器仍然在運(yùn)行，最先 Timeout 的那個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)行發(fā)起新一輪 Term 3 的投票。
兩個(gè) Follower 在 Term 3 還沒(méi)投過(guò)票，所以返回 OK，這時(shí) Candidate 一共有三票，被選為了 Leader。
如果 Leader Heartbeat 的時(shí)間晚于另外一個(gè) Candidate timeout 的時(shí)間，另外一個(gè) Candidate 仍然會(huì)發(fā)送選舉請(qǐng)求。
兩個(gè) Follower 已經(jīng)投完票了，拒絕了這個(gè) Candidate 的投票請(qǐng)求。
Leader 進(jìn)行 Heartbeat， Candidate 收到后狀態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)為 Follower，完成選主。
實(shí)現(xiàn)代碼參考： https://github.com/goraft/raft 或者
https://github.com/happyer/distributed-computing/tree/master/src/raft
2.6 有向無(wú)環(huán)圖（DAG，Directed Acyclic Graphs）
優(yōu)點(diǎn)：
由于 DAG 的非線性結(jié)構(gòu)，它是高度可擴(kuò)展的、快速、節(jié)能、立即實(shí)現(xiàn)終結(jié)性（Finality）。
不足：只能通過(guò)使用 Oracle 實(shí)現(xiàn)智能合約。
采用者：Iota、HashGraph、Byteball、RaiBlocks/Nano。
解釋：DAG 是一種更通用形式的區(qū)塊鏈。由于其獨(dú)特結(jié)構(gòu)，DAG 內(nèi)在支持高可擴(kuò)展性，因此也得到了廣泛的使用。
從根本上說(shuō)，任何區(qū)塊鏈系統(tǒng)都具有線性結(jié)構(gòu)，因?yàn)閰^(qū)塊是依次添加到鏈中的。這使得相比于并行向鏈中添加區(qū)塊，線性區(qū)塊鏈在本質(zhì)上是非常緩慢的。但是對(duì)于 DAG 而言，每個(gè)區(qū)塊和交易只需數(shù)個(gè)前期區(qū)塊得到確認(rèn)，就可以并行地添加到區(qū)塊和交易中。這意味著，DAG 在本質(zhì)上是高可擴(kuò)展的。
DAG 存在多種變體，取決于：
· 如何選取前期區(qū)塊驗(yàn)證的算法，也稱(chēng)為“Tip 選擇算法”。
· 交易完成的順序。
· 如何抵達(dá)完成狀態(tài)。
下面列出一些廣為使用的 DAG 項(xiàng)目。
1 Tangle（IOTA）
image
解釋：Tangle是一種 DAG 共識(shí)算法，由 IOTA 使用。為了發(fā)送一個(gè) IOTA 交易，用戶(hù)需要驗(yàn)證接收到的前兩個(gè)交易。在更多交易添加到 Tangle 的情況下，這種二對(duì)一、前瞻性支付的共識(shí)可加強(qiáng)交易的有效性。由于共識(shí)是由交易確定的，因此理論上，如果有人可以生成三分之一的交易，那么他就可以說(shuō)服網(wǎng)絡(luò)中的其余部分，使得他的無(wú)效交易變成有效的。一旦交易量足夠大，使得個(gè)人難以創(chuàng)建三分之一交易量，這時(shí) IOTA 就會(huì)在一個(gè)稱(chēng)為“協(xié)調(diào)器（The Coordinator）”的中心節(jié)點(diǎn)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有交易做“復(fù)核”（double-checking）。按 ITOA 的說(shuō)法，協(xié)調(diào)員的工作類(lèi)似于輔助輪。一旦 Tangle 達(dá)到一定的規(guī)模，協(xié)調(diào)員就會(huì)被從中移除。
2 Hashgraph
解釋：Hashgraph 是由 Leemon Baird 開(kāi)發(fā)的一種 Gossip 協(xié)議共識(shí)。節(jié)點(diǎn)隨機(jī)與其它節(jié)點(diǎn)共享自身已知的交易，最終所有交易都被以 Gossip 協(xié)議傳播到（Gossip around）到所有節(jié)點(diǎn)。Hashgraph 對(duì)于私有網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)很好的選擇。但我們并不會(huì)看到它實(shí)現(xiàn)在以太坊這樣的公共網(wǎng)絡(luò)中，或是不通過(guò) Gossip 協(xié)議隨機(jī)傳播交易。
3 Holochain
解釋：Holochain 十分類(lèi)似于 HashGraph，但不同于 Hashgraph。它提供了一種可用于構(gòu)建去中心化應(yīng)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。用戶(hù)可以具有自己的鏈，并向其中添加包括金融交易在內(nèi)的數(shù)據(jù)。鏈可以采用復(fù)雜的方式合并、拆分和交互。數(shù)據(jù)以去中心化的方式存儲(chǔ)（類(lèi)似于 Bittorrent）。數(shù)據(jù)具有一個(gè)哈希值，即一個(gè)對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)指紋。如果有人意圖篡改數(shù)據(jù)，那么我們就會(huì)注意到在數(shù)據(jù)和哈希值之間存在不匹配，這樣就可拒絕數(shù)據(jù)為無(wú)效的。數(shù)字簽名保證了數(shù)據(jù)的作者身份。Holochain 可看成是“Bittorrent+git+ 數(shù)字簽名”。
4 Block-Nano
解釋：Nano（以前稱(chēng)為 Raiblocks）是以纏繞在區(qū)塊鏈上的方式運(yùn)行，這種方式被稱(chēng)為“塊狀格子”（Block-lattice）。在 Block-lattice 結(jié)構(gòu)中，每個(gè)用戶(hù)（地址）都有自己的鏈，只有用戶(hù)本身可寫(xiě)，每個(gè)用戶(hù)都擁有所有鏈的副本。
每個(gè)交易都可分解為發(fā)送者鏈上的發(fā)送區(qū)塊，以及接收者鏈上的接收區(qū)塊。Block-lattice 看上似乎太簡(jiǎn)單，以至于無(wú)法工作，但它已經(jīng)在實(shí)際運(yùn)行了。Block-lattice 的獨(dú)特結(jié)構(gòu)的確無(wú)法抵制一些獨(dú)特的攻擊向量，例如 Penny-spend 攻擊。在這種攻擊中，攻擊者通過(guò)向大量空錢(qián)包發(fā)送數(shù)額可忽略不計(jì)的金錢(qián)，導(dǎo)致必須要追蹤的鏈數(shù)量急劇膨脹。
5 SPECTRE
解釋：SPECTRE，即“序列化 PoW 事件并通過(guò)遞歸選舉確認(rèn)交易”（Serialization of Proof-of-work Events， Confirming Transactions via Recursive Elections），是提議的一種 Bitcoin 擴(kuò)展解決方案。它利用 PoW 和 DAG 的組合實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的共識(shí)。在 SPECTER 中，一個(gè)挖掘的區(qū)塊指向多個(gè)父節(jié)點(diǎn)，而不僅僅是單個(gè)節(jié)點(diǎn)，這使得網(wǎng)絡(luò)每秒可以處理多個(gè)區(qū)塊。而挖掘指向某些父區(qū)塊的區(qū)塊，這將支持區(qū)塊的有效性。與 PoW 的“最長(zhǎng)鏈勝出”的原則相比，SPECTER 使用的原則可描述為“擁有最多子節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊勝出”。SPECTRE 尚未得到實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，因此可能會(huì)存在一些新的攻擊向量。但我認(rèn)為，SPECTRE 很有可能成為一種修正 Bitcoin 問(wèn)題的潛在好做法。
6 ByteBall
解釋：ByteBall 使用 DAG 建立交易間的偏序關(guān)系，此外還在 DAG 中添加了“主鏈”（MC，Main Chain）。
圖 DAG 中加粗顯示的“主鏈”
MC 允許在交易間定義全序關(guān)系，即更早加入（直接或間接）MC 的交易，必定更早出現(xiàn)在全序中。如果存在“雙重支付”問(wèn)題，那么將視較早出現(xiàn)在全序中的交易版本為有效的，而其它所有的交易均被視為是無(wú)效的。
根據(jù)交易在圖中的位置，MC 可得到確定性的定義。相關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱白皮書(shū)。作為一般性規(guī)則，MC 傾向于采納由一些總所周知用戶(hù)所給出的交易，這樣的用戶(hù)被稱(chēng)為“證人”（Witnesses）。證人列表是由用戶(hù)自己定義的，因?yàn)榱斜碇邪擞脩?hù)發(fā)布的每個(gè)交易。然后，MC 沿著 DAG 內(nèi)路徑推進(jìn)。推進(jìn)原則包括：
· MC 上相鄰交易的證人列表要么完全相同，要么只存在一個(gè)突變。
· 與其它鏈相比，MC 中為經(jīng)過(guò)最多數(shù)量的由見(jiàn)證人認(rèn)證的交易。
ByteBall 也是首個(gè)在系統(tǒng)中包含 Oracle 的平臺(tái)。Oracle 是在 DAG 中添加智能合約功能所必需的。
2.7 容量證明（PoC，Proof of Capacity）
優(yōu)點(diǎn)：
它類(lèi)似于 PoW，只是使用空間替代了計(jì)算。因此更加環(huán)境友好。
可用于惡意軟件檢測(cè)。通過(guò)確定處理器的 L1 緩存是否為空（例如，具有足夠空間在沒(méi)有緩存未命中的情況下計(jì)算 PoSpace 過(guò)程），或是包含一個(gè)拒絕被逐出（evicted）的例程。
可用于反垃圾郵件措施，以及防范拒絕服務(wù)（DoS）攻擊。
不足：激勵(lì)機(jī)制可能存在問(wèn)題。
使用者： Butcoin、Chia、SpaceMint。
類(lèi)型：協(xié)同型共識(shí)。
解釋：PoSpace，也稱(chēng)為 PoC，通過(guò)分配一定數(shù)量的內(nèi)存或磁盤(pán)空間用于解決服務(wù)提供者所提供挑戰(zhàn)的方式，顯示了某個(gè)人對(duì)某個(gè)服務(wù)（例如發(fā)送郵件）具有合法的興趣。該理念是由 Dziembowski 等在 2015 年形式化定義的。雖然 Ateniese 等人的論文名稱(chēng)也是“Proof-of-space”，但它事實(shí)上一種采用 MHF（Memory Hard Function，一種計(jì)算代價(jià)取決內(nèi)存的哈希算法）的 PoW 協(xié)議。
PoSpace 非常類(lèi)似于 PoW，只是使用存儲(chǔ)替代了 Pow 中的計(jì)算。PoSpace 與 MHF 和可回收性證明（PoR，Proof of Retrievability）有關(guān)，但也在很大程度上存在著差異。
PoSpace 是由證明者 （Prover） 發(fā)送給驗(yàn)證者 （Verifier） 的一小塊數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)確認(rèn)了證明者已經(jīng)保留了一定量的空間。出于實(shí)用性上的考慮，驗(yàn)證過(guò)程需要盡量高效，即消耗盡可能少的空間和時(shí)間。出于公平性上的考慮，如果驗(yàn)證者沒(méi)有保留所聲明數(shù)量的空間，那么它應(yīng)該難以通過(guò)驗(yàn)證。PoSpace 的一種實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)使用一個(gè)難以實(shí)現(xiàn) Pebbling 的圖。驗(yàn)證者請(qǐng)求證明者構(gòu)建對(duì)一個(gè)“非 Pebbling 圖”標(biāo)記。證明者提交標(biāo)記，進(jìn)而驗(yàn)證者請(qǐng)求證明者在提交中開(kāi)放多個(gè)隨機(jī)位置。
由于存儲(chǔ)的通用本質(zhì)，以及存儲(chǔ)所需的更低耗能，PoSpace 被認(rèn)為是一種更公平、更綠色的替換方法。
2.8 延遲工作量證明（dPoW，Delayed Proof-of-Work）、
優(yōu)點(diǎn)：
節(jié)能、安全性增加、可以通過(guò)非直接提供 Bitcoin（或是其它任何安全鏈），添加價(jià)值到其它區(qū)塊鏈，無(wú)需付出 Bitcoin（或是其它任何安全鏈）交易的代價(jià)。
不足：
只有使用 PoW 或 PoS 的區(qū)塊鏈，才能采用這種共識(shí)算法。
在“公證員激活”（Notaries AcTIve）模式下，必須校準(zhǔn)不同節(jié)點(diǎn)（公證員或正常節(jié)點(diǎn)）的哈希率，否則哈希率間的差異會(huì)爆炸（下文將給出詳細(xì)解釋）。
采用者：Komodo
類(lèi)型：協(xié)同型共識(shí)（CollaboraTIve consensus）
解釋：dPoW 是一種混合共識(shí)方法，允許一個(gè)區(qū)塊鏈利用第二個(gè)區(qū)塊鏈的哈希算力（Hashing Power）所提供的安全。該機(jī)制是通過(guò)一組公證員節(jié)點(diǎn)（Notary Node）實(shí)現(xiàn)的。公證員節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)將第一個(gè)區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)添加到第二個(gè)區(qū)塊鏈中。進(jìn)而，第二個(gè)區(qū)塊鏈請(qǐng)求在兩個(gè)區(qū)塊鏈間達(dá)成妥協(xié)，弱化第一個(gè)區(qū)塊鏈的安全。Komodo是首個(gè)使用該共識(shí)方法的區(qū)塊鏈，它就是附加于 Bitcoin 區(qū)塊鏈之上的。
使用 dPoW 的區(qū)塊鏈也可以使用 PoW 或 PoS 共識(shí)方法工作，并可以附加在任何采用 PoW 的區(qū)塊鏈上。但對(duì)于由 dPoW 提供安全的區(qū)塊鏈，當(dāng)前 Bitcoin 給出了最高安全層級(jí)的哈希率。下圖展示了主區(qū)塊鏈的單個(gè)記錄以及其所附著的 PoW 區(qū)塊鏈。
dPoW 系統(tǒng)中有兩種類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)：公證人節(jié)點(diǎn)和正常節(jié)點(diǎn)。64 個(gè)公證人節(jié)點(diǎn)是由 dPoW 區(qū)塊鏈的權(quán)益持有者（stakeholder）選舉產(chǎn)生的，它們可從 dPoW 區(qū)塊鏈向所附加的 PoW 區(qū)塊鏈添加經(jīng)公證確認(rèn)的塊。一旦添加了一個(gè)塊，該塊的哈希值將被添加到由 33 個(gè)公證人節(jié)點(diǎn)簽署的 Bitcoin 交易中，并創(chuàng)建一個(gè)哈希到 Bitcoin 區(qū)塊鏈的 dPow 塊記錄。該記錄已被網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)公證人節(jié)點(diǎn)公證。
為避免公證人節(jié)點(diǎn)間在挖礦上產(chǎn)生戰(zhàn)爭(zhēng)，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)的效率，Komodo 設(shè)計(jì)了一種采用輪詢(xún)機(jī)制的挖礦方法。該方法具有兩種運(yùn)行模式。在“無(wú)公證人”（No Notary）模式下，支持所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參與挖礦，這類(lèi)似于傳統(tǒng) PoW 共識(shí)機(jī)制。而在“公證人激活”（Notaries AcTIve）模式下，網(wǎng)絡(luò)公證人使用一種顯著降低的網(wǎng)絡(luò)難度率挖礦。“公證人激活”模式下，允許每位公證人使用其當(dāng)前的難度挖掘一個(gè)區(qū)塊，而其它公證人節(jié)點(diǎn)必須采用 10 倍難度挖礦，所有正常節(jié)點(diǎn)使用公證人節(jié)點(diǎn)難度的 100 倍挖礦。
但這會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題。我在與 Komodo 創(chuàng)始人的一次談話中提及，這將導(dǎo)致公證人礦工和正常礦工間的哈希率存在很高的差異：
圖 本文作者與 Komodo 創(chuàng)始人間就不一致性問(wèn)題進(jìn)行交流的截圖
dPoW 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上支持區(qū)塊鏈在沒(méi)有公證人節(jié)點(diǎn)的情況下繼續(xù)運(yùn)行。在這種情況下，dPoW 區(qū)塊鏈可以基于初始的共識(shí)方法繼續(xù)運(yùn)行，但將不再具有所附著區(qū)塊鏈增添的安全。
所有使用 dPoW 的區(qū)塊鏈可增加安全，同時(shí)降低能耗。例如，Komodo 使用 Equihash 哈希算法防止使用 ASIC 挖礦。其公證人節(jié)點(diǎn)依賴(lài)于一種輪詢(xún)挖礦方法，獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制考慮了降低節(jié)點(diǎn)間競(jìng)爭(zhēng)的可能性。這些節(jié)點(diǎn)將會(huì)引發(fā)過(guò)度耗能或算力。
此外通過(guò)非直接提供 Bitcoin 安全，Komodo 這類(lèi) dPoW 區(qū)塊鏈可以向其它區(qū)塊鏈添加價(jià)值，無(wú)需付出任何 Bitcoin 交易的代價(jià)。Komodo 此后附著到 Bitcoin，而第三個(gè)使用 dPoW 的區(qū)塊鏈可以將自身附著到 Komodo。使用這種方式，dPoW 區(qū)塊鏈不必直接附著到 Bitcoin 區(qū)塊鏈，就從 Bitcoin 的高哈希率中受益。
最后一點(diǎn)，公證人節(jié)點(diǎn)和正常節(jié)點(diǎn)分離的功能，確保了初始共識(shí)機(jī)制在公證人節(jié)點(diǎn)失敗時(shí)繼續(xù)運(yùn)行。這種相互獨(dú)立性建立了一種獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，使得其它網(wǎng)絡(luò)無(wú)需依賴(lài)于 Bitcoin 網(wǎng)絡(luò)的直接功能，即可支持 Bitcoin 網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)維護(hù)。
2.9 權(quán)威證明（PoA，Proof-of-Authority）
優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能、快速。
不足：略為中心化。雖然可用于公有區(qū)塊鏈，但是通常用于私有區(qū)塊鏈和許可區(qū)塊鏈。
使用者：POA.Network、Ethereum Kovan testnet、VeChain。
類(lèi)型：協(xié)同型共識(shí)。
解釋：基于 PoA 的網(wǎng)絡(luò)、事務(wù)和區(qū)塊，是由一些經(jīng)認(rèn)可的賬戶(hù)認(rèn)證的，這些被認(rèn)可的賬戶(hù)稱(chēng)為“驗(yàn)證者”（Validator）。驗(yàn)證者運(yùn)行的軟件，支持驗(yàn)證者將交易（transaction）置于區(qū)塊中。該過(guò)程是自動(dòng)的，無(wú)需驗(yàn)證者持續(xù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，但需要維護(hù)計(jì)算機(jī)（權(quán)威節(jié)點(diǎn)）不妥協(xié)（uncompised）。
驗(yàn)證者必須滿足以下三個(gè)條件：
使用 PoA，每個(gè)個(gè)體都具有變成驗(yàn)證者的權(quán)利，因此存在一旦獲取就保持驗(yàn)證者位置的動(dòng)機(jī)。通過(guò)對(duì)身份附加一個(gè)聲譽(yù)，可以鼓勵(lì)驗(yàn)證者去維護(hù)交易的過(guò)程。因?yàn)轵?yàn)證者并不希望讓自己獲得負(fù)面聲譽(yù)，這會(huì)使其失去來(lái)之不易的驗(yàn)證者地位。
2.10 權(quán)重證明（PoWeight，Proof-of-Weight）
優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能、高度可定制和可擴(kuò)展
不足：可能難以實(shí)現(xiàn)激勵(lì)、
采用者：Algorand。
類(lèi)型：有競(jìng)爭(zhēng)共識(shí)。
解釋：權(quán)重證明（PoWeight）是一類(lèi)很寬泛的共識(shí)算法，它基于Algorand共識(shí)模型。其基本理念是在 PoS 中，用戶(hù)所擁有的網(wǎng)絡(luò)中令牌的百分比，表示了該用戶(hù)“發(fā)現(xiàn)”下一個(gè)區(qū)塊的概率。PoWeight 系統(tǒng)中還使用了其它一些相對(duì)加權(quán)值，實(shí)現(xiàn)包括聲望證明（PoR，Proof of Reputation）和空間證明（Proof of Space）。
2.11. 聲譽(yù)證明（PoR，Proof of Reputation）
優(yōu)點(diǎn)：非常適用于私有區(qū)塊鏈和許可區(qū)塊鏈。
不足：只能用于私有區(qū)塊鏈和許可區(qū)塊鏈。
采用者：GoChain。
類(lèi)型：協(xié)同型共識(shí)。
解釋：PoR 類(lèi)似于 PoA。GoChain 文檔中給出了如下描述：
PoR 共識(shí)模型依賴(lài)參與者在保持網(wǎng)絡(luò)安全中的聲譽(yù)。參與者（區(qū)塊簽名者）必須具有足夠重要的聲譽(yù)。一旦他們嘗試欺騙系統(tǒng)，那么他們將要面對(duì)嚴(yán)重的財(cái)政上的和自己名聲上的后果。這是一個(gè)相對(duì)的概念，如果他們被抓到試圖欺騙，那么幾乎所有的業(yè)務(wù)將會(huì)受到嚴(yán)重的影響。規(guī)模越大的企業(yè)，通常將會(huì)失去更多。這樣，相比使用更少的企業(yè)（即更小規(guī)模的商業(yè)），規(guī)模更大的企業(yè)更易于被選定。
一旦一個(gè)企業(yè)證明了自己的聲譽(yù)，并通過(guò)了驗(yàn)證，那么他們必須經(jīng)投票參與到權(quán)威節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中。這時(shí)，PoR 的操作與 PoA 網(wǎng)絡(luò)一樣，即只有權(quán)威節(jié)點(diǎn)可以簽名并驗(yàn)證區(qū)塊。
2.12. 所用時(shí)間證明（PoET，Proof of Elapsed Time）
優(yōu)點(diǎn)：
參與代價(jià)低。更多人可輕易加入，進(jìn)而達(dá)到去中心化。
對(duì)于所有參與者而言，更易于驗(yàn)證領(lǐng)導(dǎo)者是通過(guò)合法選舉產(chǎn)生的。
控制領(lǐng)導(dǎo)者選舉過(guò)程的代價(jià)，是與從中獲得的價(jià)值成正比的。
不足：
盡管 PoET 的代價(jià)低，但是必須要使用特定的硬件。因此不會(huì)被大規(guī)模采納。
不適用于公有區(qū)塊鏈。
采用者：HyperLedger Sawtooth
類(lèi)型：有競(jìng)爭(zhēng)共識(shí)
解釋：PoET 共識(shí)機(jī)制算法通常用于許可區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，它可決定網(wǎng)絡(luò)中獲得區(qū)塊者的挖礦權(quán)利。許可區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)需要任何預(yù)期參與者在加入前驗(yàn)證身份。根據(jù)公平彩票系統(tǒng)的原則，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有同等的可能成為勝出者。PoET 機(jī)制賦予大量可能的網(wǎng)絡(luò)參與者以平等勝出的機(jī)會(huì)。
PoET 的工作機(jī)制如下：網(wǎng)絡(luò)中的每位參與節(jié)點(diǎn)都必須等待一個(gè)隨機(jī)選取的時(shí)期，首個(gè)完成設(shè)定等待時(shí)間的節(jié)點(diǎn)將獲得一個(gè)新區(qū)塊。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)生成一個(gè)隨機(jī)的等待時(shí)間，并休眠一個(gè)設(shè)定的時(shí)間。最先醒來(lái)的節(jié)點(diǎn)，即具有最短等待時(shí)間的節(jié)點(diǎn)，喚醒并向區(qū)塊鏈提交一個(gè)新區(qū)塊，然后廣播必要的信息到整個(gè)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中。同一過(guò)程將會(huì)重復(fù)，以發(fā)現(xiàn)下一個(gè)區(qū)塊。
在 PoET 網(wǎng)絡(luò)共識(shí)機(jī)制中，需要確保兩個(gè)重要因素。第一，參與節(jié)點(diǎn)在本質(zhì)上會(huì)自然地選取一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間，而非某一個(gè)參與者為勝出而刻意選取了較短的時(shí)間。第二，勝出者的確完成了等待時(shí)間。
PoET 理念是由著名的芯片制造巨頭 Intel于 2016 年早期提出的。Intel 為解決“隨機(jī)領(lǐng)導(dǎo)者選舉”的計(jì)算問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可用的高科技工具。
這種內(nèi)在機(jī)制允許應(yīng)用在受保護(hù)的環(huán)境中執(zhí)行受信任的代碼，它確保了上面提出的兩個(gè)要求得到滿足，即隨機(jī)選擇所有參與節(jié)點(diǎn)的等待時(shí)間，以及勝出參與者真正完成了等待時(shí)間。
這種在安全環(huán)境中運(yùn)行可信代碼的機(jī)制也同時(shí)考慮到了其它一些網(wǎng)絡(luò)的需求。它確保了受信代碼的確運(yùn)行在安全環(huán)境中，并不可被其它外部參與者更改。它也確保了結(jié)果可被外部參與者和實(shí)體驗(yàn)證，進(jìn)而提高了網(wǎng)絡(luò)共識(shí)的透明度。
PoET 通過(guò)控制代價(jià)實(shí)現(xiàn)了共識(shí)過(guò)程，該代價(jià)依然是與從過(guò)程中獲得的價(jià)值成正比。這是保證加密貨幣經(jīng)濟(jì)持續(xù)繁榮的一個(gè)關(guān)鍵需求。
2.13 歷史證明（PoHistory，Proof of History）
采用者：Solana
解釋：其基本理念是不相信交易中的時(shí)間戳，而是證明交易在某個(gè)事件之前或之后的某個(gè)時(shí)刻發(fā)生。
如果我們對(duì)某期《紐約時(shí)報(bào)》的封面拍了張照片，那么我們就創(chuàng)建了一個(gè)證明，即我們的拍照時(shí)間是在該報(bào)紙發(fā)行之后，或許也可能是我們有某種途徑影響了紐約時(shí)報(bào)的正常發(fā)行。我們可以使用 PoHistory 創(chuàng)建一個(gè)歷史記錄，證明一個(gè)事件是發(fā)生在特定時(shí)間之后的。
區(qū)塊鏈共識(shí)算法全面詳解
PoHistory 是一種高頻可驗(yàn)證延遲函數(shù)（VDF，Verifiable Delay Function）。VDF 求值需要完成特定數(shù)量的順序步驟，然后生成一個(gè)唯一的輸出。該輸出可被高效地和公開(kāi)地驗(yàn)證。
VDF 的一個(gè)特定實(shí)現(xiàn)使用了持續(xù)運(yùn)行于其上的順序抗預(yù)映射哈希（Pre-image Resistant Hash），其中前一次循環(huán)生成的輸出將用于下一次循環(huán)的輸入。計(jì)數(shù)和當(dāng)前輸出形成周期性記錄。
如果使用了 SHA256 哈希函數(shù)，那么不使用 2128核的暴力攻擊，該過(guò)程是不可能并行化的。
因此我們可以確認(rèn)，每個(gè)計(jì)數(shù)器在生成過(guò)程中都的確經(jīng)歷了一定的時(shí)間。進(jìn)而，每個(gè)計(jì)數(shù)器記錄的順序與實(shí)時(shí)情況是一致的。
2.14 單點(diǎn)共識(shí)（SOLO）
使用者：Frabric
解釋：Solo共識(shí)模式是指Order節(jié)點(diǎn)為單節(jié)點(diǎn)通信模式，由Peer節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的消息由一個(gè)Order節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序和產(chǎn)生區(qū)塊。
由于排序服務(wù)只有一個(gè)Order為所有節(jié)點(diǎn)（Peer）服務(wù)，沒(méi)有高可用性和可擴(kuò)展性，不適合用于生產(chǎn)環(huán)境，可以用于開(kāi)發(fā)和測(cè)試環(huán)境。
技術(shù)原理：
Solo共識(shí)工作時(shí)序如下圖所示。圖中所描述的范圍是在SDK發(fā)起交易到交易落地這整個(gè)過(guò)程。
在Order節(jié)點(diǎn)容器啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)Solo排序服務(wù)，開(kāi)啟監(jiān)SDK發(fā)送過(guò)來(lái)的消息，收到消息后調(diào)用Solo服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)區(qū)塊處理。其中，Solo模式調(diào)用過(guò)程說(shuō)明：
（1）SDK通過(guò)gRPC連接Peer，發(fā)送交易信息Tx；
（2）Peer調(diào)用合約后，將返回結(jié)果再回復(fù)給SDK；
（3）SDK通過(guò)gRPC連接Order，將（2）的sdkPeerReply發(fā)送給Order，執(zhí)行Solo共識(shí)服務(wù)：
A.接收消息
B.消息入列
C.消息排序
D.消息切塊（根據(jù)時(shí)間或交易數(shù)量分切）
E.生成區(qū)塊
F.寫(xiě)入?yún)^(qū)塊文件
G.通知Peers
首先order設(shè)置共識(shí)機(jī)制為“solo”，多機(jī)多節(jié)點(diǎn)部署需要至少兩臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái) Order 排序服務(wù)節(jié)點(diǎn)，一臺(tái) peer 節(jié)點(diǎn)，每新加一臺(tái)額外的服務(wù)器都可作為新的 peer 節(jié)點(diǎn)來(lái)加盟。
2.15 活動(dòng)證明（PoActivity，Proof Of Activity）
使用者：Decred
解釋：為避免出現(xiàn)惡性通貨膨脹（當(dāng)大量貨幣充斥系統(tǒng)時(shí)就會(huì)發(fā)生），比特幣將只生成兩千一百萬(wàn)枚。這意味著，在某些時(shí)候，比特幣區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)補(bǔ)貼將終止，比特幣礦工將只能收取交易費(fèi)用。
一些人猜測(cè)這可能會(huì)導(dǎo)致由“公地悲劇（Tragedy of the commons）”所引發(fā)的安全問(wèn)題，人們出于自身利益考慮行事并破壞系統(tǒng)。因此，人們提出了PoActivity作為一種替代 Bitcoin 的激勵(lì)結(jié)構(gòu)。PoActivity 是一種結(jié)合了 PoW 和 PoS 的混合方法。
在 PoActivity 中，挖礦一開(kāi)始使用的是傳統(tǒng)的 PoW，礦工們爭(zhēng)相解決加密難題。根據(jù)實(shí)現(xiàn)，挖掘的區(qū)塊不包含任何交易，它們更像模板。因此，勝出的區(qū)塊將只包含頭部信息，以及礦工的獎(jiǎng)勵(lì)地址。
此時(shí)，系統(tǒng)將切換到 PoS。PoActivity 根據(jù)頭部信息選擇一組隨機(jī)驗(yàn)證者對(duì)新區(qū)塊簽名。如果一位驗(yàn)證者所擁有的系統(tǒng)中代幣越多，那么該驗(yàn)證者被選中的可能性也會(huì)越大。一旦所有驗(yàn)證者已簽名，那么模板就會(huì)變成一個(gè)完整的區(qū)塊。
如果在完成區(qū)塊時(shí)，某些選定的驗(yàn)證者是不可用的，那么就選擇下一個(gè)勝出區(qū)塊，并選擇一組新的驗(yàn)證者，依此類(lèi)推，直到區(qū)塊收到到正確數(shù)量的簽名。費(fèi)用由礦工和在區(qū)塊上簽名的驗(yàn)證者分?jǐn)偂?/p>
對(duì) PoActivity 的批評(píng)包括挖掘區(qū)塊耗能過(guò)高（與 PoW 一樣），以及無(wú)法阻止驗(yàn)證者做雙重簽名（與 PoS 一樣）。
3，參考
（1）分布式共識(shí)算法專(zhuān)欄 - 匯集各種共識(shí)算法
https://recomm.cnblogs.com/blogpost/11284374?page=1
（2）區(qū)塊鏈共識(shí)算法全面詳解 http://www.elecfans.com/blockchain/843819.html
（3）共識(shí)算法DPOS原理及實(shí)現(xiàn) https://www.meiwen.com.cn/subject/hxqzyftx.html
（4）拜占庭PBFT簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn) https://www.meiwen.com.cn/subject/prvjuftx.html
（5）PBFT算法 https://www.meiwen.com.cn/subject/owzvyxtx.html
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的15种区块链共识算法全面详解的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
