一文讀懂Dipperin與BTC、ETH、EOS共識(shí)算法對(duì)比

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導(dǎo)語： 在現(xiàn)今三大主流公鏈：BTC（PoW）、ETH（即將轉(zhuǎn)為PoS）和EOS（DPoS），使用了完全不同的共識(shí)算法，每個(gè)都有自己的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)每個(gè)也都不可避免的有自己的缺點(diǎn)。對(duì)比一下這幾家主流公鏈所采用的共識(shí)算法的優(yōu)缺點(diǎn)，可以更清晰地了解Dipperin采用DPoW共識(shí)算法的底層邏輯。

由于區(qū)塊鏈?zhǔn)侨ブ行幕?，也就是說在一個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，所有的節(jié)點(diǎn)或者說是參與者都是平等的地位。由于參與者的地位平等，因此需要一種機(jī)制來決定誰具有打包區(qū)塊的權(quán)力，這種機(jī)制就是共識(shí)算法。區(qū)塊鏈中共識(shí)算法的本質(zhì)，就是誰擁有打包區(qū)塊的權(quán)力（也就是記賬權(quán)）的問題，誰擁有記賬的權(quán)力，誰就能夠獲得記賬的獎(jiǎng)勵(lì)。

一、BTC：工作量證明/PoW（Proof of Work）

BTC是區(qū)塊鏈的鼻祖，它采用的是PoW（Proof of Work），即工作量證明。這一概念最早在1993年由Cynthia Dwork和Moni Naor的學(xué)術(shù)論文中提出，并在1999年由Markus Jakobsson與AriJuels對(duì)工作量證明這一詞的進(jìn)行了發(fā)表。PoW核心設(shè)計(jì)思路是提出求一個(gè)復(fù)雜度計(jì)算值的運(yùn)算過程，用戶通過進(jìn)行一定的算力來計(jì)算一個(gè)滿意值并提供給服務(wù)方快速做驗(yàn)證，以防止服務(wù)被攻擊，數(shù)據(jù)資源被濫用，確保數(shù)據(jù)交易的公平和安全。

在BTC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)哈希值問題，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。由于哈希值計(jì)算的隨機(jī)性，因此用戶只能通過大量的窮舉來實(shí)現(xiàn)。

圖1：比特幣的共識(shí)機(jī)制原理

舉個(gè)例子：

比如現(xiàn)在給出一個(gè)固定的字符串“Hello，Dipperin”，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，并通過SHA256哈希計(jì)算一個(gè)固定256位長(zhǎng)度的哈希值，如果得到的計(jì)算結(jié)果至少前4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)。

當(dāng)中本聰剛開始提出比特幣的時(shí)候，比特幣還沒幾個(gè)人認(rèn)可，那時(shí)的PoW無疑是最合適的：買幣不方便，大眾付出勞動(dòng)挖礦就能拿到幣，所以挖礦是最好的辦法。

但是隨著參與挖礦的人越來越多，PoW的缺點(diǎn)便越來越受人詬病：

1. 消耗了大量的能源。隨著全網(wǎng)參與的算力越多，那么下一次調(diào)整的難度值就可能越高，能源的消耗就越嚴(yán)重。

2. 網(wǎng)絡(luò)性能低，需要等待多個(gè)確認(rèn)，容易產(chǎn)生分叉。

二、ETH（Casper）：股權(quán)證明/PoS（Proof of Stake）

雖然PoW有這些缺點(diǎn)，但是以太坊在它目前的版本中依舊采用了PoW的方法進(jìn)行挖礦。與比特幣的PoW挖礦算法不同的是，以太坊采用的是內(nèi)存難解的PoW算法，由于它的計(jì)算的效率基本與CPU無關(guān)，卻和內(nèi)存大小和內(nèi)存帶寬正相關(guān)。因此通過共享內(nèi)存的方式大規(guī)模部署的礦機(jī)芯片并不能在挖礦效率上有線性或者超線性的增長(zhǎng)。這樣可以在一定程度上避免像比特幣一樣的出現(xiàn)算力的中心化，但是還是需要消耗很多的能源，所以以太坊也就一直宣稱要從PoW共識(shí)轉(zhuǎn)到PoS共識(shí)。

PoS共識(shí)算法的優(yōu)點(diǎn)很明顯：極少的能源消耗，擴(kuò)展性強(qiáng)。但是它也有一個(gè)嚴(yán)重的問題：”無利害關(guān)系（Nothing at Stake）”問題，即如果在一條PoS鏈上（藍(lán)色鏈），如果你是一個(gè)驗(yàn)證者，在你做完驗(yàn)證押金被退回之后，你可以在藍(lán)色的主鏈上再次投票形成一條紅色的從主鏈中分出來的鏈條（如下圖），這時(shí)你分叉了鏈條之后，完全無需擔(dān)心間接的不良后果。不管發(fā)生什么事，你都總是可以贏，不會(huì)失去任何東西，不管你的行為有多惡意。這就是所謂的“無利害關(guān)系”問題，也是以太坊最新的Casper算法（PoS算法的一種）必須解決的問題。

圖2：“無利害關(guān)系”雙投

Casper通過引入stake（押金）、checkpoint（檢查點(diǎn)）等機(jī)制來解決“無利害關(guān)系”問題，這可以在一定程度上減輕無利害關(guān)系問題，但無法徹底解決，并且還有另外幾個(gè)問題無法解決（Vitalik Buterin他自己在關(guān)于Casper的論文中提出）：

1.長(zhǎng)程攻擊問題：即一旦有些驗(yàn)證者聯(lián)合起來，退出了抵押，且長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)他們的抵押是超過總抵押的三分之二，他們可以利用歷史的絕對(duì)多數(shù)聯(lián)結(jié)來固化兩個(gè)沖突的檢查點(diǎn)，而不用擔(dān)心抵押被沒收。

2.災(zāi)難性崩潰的問題：這種問題雖然概率比較小，但是理論上是有可能發(fā)生的。假設(shè)總額大于三分之一押金的驗(yàn)證者在同一時(shí)間崩潰，它們因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)故障或者他們本身是邪惡的原因，連接不到網(wǎng)絡(luò)。這時(shí)由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無法達(dá)成共識(shí)也導(dǎo)致無法產(chǎn)生一條能夠被最終確認(rèn)的鏈。Casper采用了一種“非活躍泄漏”的方式來解決，具體是：慢慢地把那些沒有投票的驗(yàn)證者的押金從總押金中釋放出去，最終總押金會(huì)下降到可以讓剩下活躍的驗(yàn)證者占絕大多數(shù)的情況。但是這樣產(chǎn)生的問題在于，由于一些意外或者是惡意的原因，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能被軟分叉成了兩部分，并且除非該節(jié)點(diǎn)放棄在被釋放鏈上的押金，否則無法在回到被釋放鏈上了。

3.隱性中心化的問題：如果一個(gè)用戶持有較多的coin，比如30%，那么理論上，他是有可能通過不斷的成為驗(yàn)證者來是自己在整條鏈中的coin比例達(dá)到50%以上的。這樣就會(huì)對(duì)鏈產(chǎn)生 51%攻擊問題。

之所以比特幣和以太坊的共識(shí)算法都有自己的問題，主要在于區(qū)塊鏈技術(shù)長(zhǎng)期面臨一個(gè)“三元悖論”也被稱為“不可能三角”。即在一個(gè)分布式計(jì)算系統(tǒng)的一致性（Consistency）、可用性（Availability）、分區(qū)容錯(cuò)性（Partition-tolerant）三者不可兼得，最多只能兼顧其中的兩者。

圖3：PoW與PoS對(duì)比

區(qū)塊鏈作為典型的分布式系統(tǒng)，它的共識(shí)算法就是對(duì)系統(tǒng)的安全性、可擴(kuò)展性和去中心化作了一定的權(quán)衡。比特幣擁有最強(qiáng)的去中心化（當(dāng)然，算力的中心化是無法避免的），但是相應(yīng)了，它犧牲了它的可擴(kuò)展性，每10分鐘一個(gè)區(qū)塊，每秒7筆交易，這個(gè)性能太過低下了。以太坊目前的PoW算法，一旦交易過大就會(huì)導(dǎo)致大量交易需要排隊(duì)上鏈，造成鏈的擁堵，交易費(fèi)用上升，性能問題也很嚴(yán)重。而以太坊即將采用的Capser算法，從目前他們自己的分析來看，他們優(yōu)先考慮一致性，因?yàn)樗辉试S在沒有絕大多數(shù)驗(yàn)證者同意的情況下完成checkpoint，這樣區(qū)塊也就不會(huì)達(dá)到最終的確認(rèn)狀態(tài)，但是它也在一定程度上放棄了安全性，即鏈在某種情況下可能出現(xiàn)分叉。

三、EOS：委任權(quán)益證明/DPoS（Delegated Proof of Stake）

而EOS所采用的DPoS（股份權(quán)益證明），它的原理是讓每一個(gè)持有EOS的人進(jìn)行投票，由此產(chǎn)生21位代表，可以將其理解為21個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)或者礦池，而這21個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)彼此的權(quán)利是完全相等的。從某種角度來看，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)來取代他們。這種機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是大幅度縮小參與驗(yàn)證和記賬節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，可以達(dá)到秒級(jí)共識(shí)驗(yàn)證；缺點(diǎn)在于選舉固定數(shù)量的見證人作為記賬候選人有可能不適合完全去中心化的場(chǎng)景，另外在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量少的場(chǎng)景，選舉的見證人代表性也不強(qiáng)。

圖4：PoS對(duì)比DPoS

四、Dipperin：確定性的工作量證明/DPoW（Deterministic Proof of Work）

針對(duì)于BTC、ETH以及EOS的共識(shí)算法及它們現(xiàn)存的缺點(diǎn)，Dipperin提出了自己的共識(shí)算法確定性的工作量證明DPoW（Deterministic Proof of Work），在DPoW共識(shí)算法中，使用了PoW、VRF（可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)）、PBFT等共識(shí)和加密技術(shù)以及防卡死機(jī)制，這樣能夠在獲得高擴(kuò)展性的同時(shí)保證安全性并且盡可能的去中心化。下面就來介紹一下Dipperin的DPoW共識(shí)算法，及其和三大主流公鏈共識(shí)算法的對(duì)比。

首先，對(duì)于BTC的PoW算法，Dipperin做了一定的改進(jìn)，使用了分片的工作量證明，它的特點(diǎn)是將工作量證明計(jì)算過程分工，由分片服務(wù)器和礦工節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的hash難題解答過程，其基本原理如下：

１.分片服務(wù)器將工作量證明的整個(gè)搜索空間劃分成多個(gè)部分，需要保證劃分的各小區(qū)間之間不會(huì)有相互覆蓋，然后將其分配給為其工作的礦工節(jié)點(diǎn)。

２.礦工節(jié)點(diǎn)將會(huì)在分配的搜索空間上計(jì)算hash難題以尋求完成工作量證明。礦工節(jié)點(diǎn)在計(jì)算過程中需要定時(shí)監(jiān)聽分片服務(wù)器的消息通知，以防分片服務(wù)器更新工作量搜索空間或重新分配任務(wù)。一旦礦工完成工作量證明，便會(huì)將滿足條件的區(qū)塊提交給分片服務(wù)器。

３.分片服務(wù)器接收到礦工提交的區(qū)塊后，將其提交給校驗(yàn)服務(wù)器集群，并等待驗(yàn)證結(jié)果。

其次，Dipperin引入了校驗(yàn)者節(jié)點(diǎn)的角色，這些校驗(yàn)者節(jié)點(diǎn)的主要作用是通過共識(shí)來確認(rèn)一個(gè)塊，當(dāng)塊被共識(shí)確認(rèn)了以后才能將它加到區(qū)塊鏈上。這樣就能避免純PoW算法確認(rèn)時(shí)間過長(zhǎng)的問題。Dipperin采用PBFT共識(shí)算法來進(jìn)行驗(yàn)證者之間的共識(shí)，PBFT在共識(shí)算法中是強(qiáng)一致性和高效的代表。然而，為了保證其安全性和存活性，必須有超過2/3的共識(shí)節(jié)點(diǎn)為誠實(shí)節(jié)點(diǎn)。因此，如何盡可能從廣大節(jié)點(diǎn)中選取出誠實(shí)節(jié)點(diǎn)作為驗(yàn)證者代表變得極為重要。

圖5：Dipperin獨(dú)創(chuàng)的DPoW共識(shí)算法

Dipperin采用了一種基于VRF的驗(yàn)證者抽簽機(jī)制。為了抵御女巫攻擊，Dipperin對(duì)每個(gè)用戶設(shè)定了權(quán)重，而這個(gè)權(quán)重則來源于用戶自身的信譽(yù)。Dipperin的系統(tǒng)對(duì)用戶的信譽(yù)進(jìn)行量化計(jì)算，通過信譽(yù)來衡量用戶的權(quán)重。使用抽簽的方式選取驗(yàn)證者，信譽(yù)高的具有更高機(jī)會(huì)被選中。Dipperin假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中2/3的信譽(yù)是好的，那么鏈的安全性可以得到保障。Dipperin認(rèn)為基于信譽(yù)的安全性假設(shè)，比起基于算力，或者基于股份的更為合理，更為公平。

信譽(yù)：Reputation=F（Stake，Performance，Nonce）

其中，Stake押金數(shù)代表著作惡成本，Performance績(jī)效代表著過去用戶作為驗(yàn)證者時(shí)的業(yè)績(jī)，Nonce是該帳號(hào)相關(guān)的交易數(shù)，其他數(shù)據(jù)相同的情況下，交易數(shù)越高，信譽(yù)值越高。

最后，Dipperin對(duì)驗(yàn)證者的選取使用密碼擲簽，密碼擲簽的作用是從選出一小部分作為區(qū)塊提出者或者驗(yàn)證者，且他們的身份可以被所有其他用戶驗(yàn)證。密碼擲簽的實(shí)現(xiàn)是VRF算法，對(duì)于一個(gè)公認(rèn)的輸入（input），用戶使用私鑰SK和一個(gè)Hash函數(shù)可以產(chǎn)生一個(gè)Hash值和一個(gè)Proof。其他用戶則可以通過這個(gè)Hash值和Proof，結(jié)合該用戶的公鑰PK，證實(shí)這個(gè)Hash值是否是由這個(gè)用戶針對(duì)Input所產(chǎn)生的，并且在這個(gè)過程中，該用戶的私鑰自始至終沒有泄露。用戶通過這種方式得到驗(yàn)證，其他用戶便可以相信他是某一段時(shí)間的驗(yàn)證者。用這種方式，通過一個(gè)公認(rèn)的輸入（Input）便可以隨機(jī)選出一組用戶，且其身份可以被其他人驗(yàn)證。Dipperin結(jié)合用戶的信譽(yù)度R、一個(gè)使用VRF計(jì)算出的隨機(jī)數(shù)種子seed（用來充當(dāng)用戶的幸運(yùn)值，避免信譽(yù)度高的人能夠一直被選上，提供給新參與者一些機(jī)會(huì)）。

這種抽簽機(jī)制保證了根據(jù)用戶的權(quán)重，只有一小部分用戶被隨機(jī)選出，且他們的身份可以被所有用戶驗(yàn)證。對(duì)于攻擊者來說，隨機(jī)的結(jié)果無法被提前預(yù)測(cè)，無法操控。Dipperin的抽簽機(jī)制提供了客觀安全性，即整個(gè)過程是客觀的，完全通過計(jì)算做決策，人的干預(yù)無法影響這個(gè)過程。

這種客觀的安全性也能夠避免EOS的代表選舉曾遭到賄選問題。Dipperin的驗(yàn)證者選舉過程透明。因?yàn)闆]有人為因素操縱競(jìng)選結(jié)果，所以不存在賄選的可能性。同樣也沒有人可以預(yù)知選舉結(jié)果，所以也不存在礦工賄賂驗(yàn)證者打包其區(qū)塊的可能性。

總的來說，Dipperin的DPoW的共識(shí)算法綜合考慮了共識(shí)的去中心化程度和交易的效率問題，可以達(dá)到秒級(jí)出塊，2000TPS的效率，采用VRF密碼擲簽避免PoS算法中的公正性和DPoS中的中心化問題。

算法比特幣區(qū)塊鏈

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