区块链共识机制深入解析

区块链共识机制深入解析 文章前言 区块链是一种分布式数据库技术，已经在金融、物流、医疗等领域得到广泛应用。共识机制是确保区块链安全性和可靠性的关键机制之一，它可以确保所有节点对于区块链上的数据和交易的一致性，从而防止双重支付和其他恶意行为。 基本介绍 区块链共识机制是确保区块链安全性和可靠性的重要机制之一，它通过算法和网络节点之间的协议来实现，具有以下特点： 一致性保证 ：确保所有节点对于区块链上的数据和交易的一致性 安全性 ：防止网络中的节点篡改数据或进行其他恶意行为 去中心化 ：需要多个节点之间的协作，提高了区块链的去中心化程度 应用广泛 ：可应用于数字货币、智能合约、供应链管理、医疗记录管理等领域 技术驱动 ：共识机制的发展和应用推动了数字化经济的发展 工作流程 共识机制的工作流程包括以下几个步骤： 提交交易 ：用户在区块链网络中提交交易请求 验证交易 ：节点对交易进行验证，包括验证交易的合法性、余额是否充足等 选择记账节点 ：不同的共识机制采用不同的方式来选择记账节点 生成新区块 ：记账节点将交易打包成新的区块并广播到网络 验证新区块 ：其他节点对新区块进行验证 更新区块链 ：新区块被验证和确认后，区块链被更新 拜占庭类问题 基本介绍 拜占庭将军问题(The Byzantine Generals Problem)由Leslie Lamport等人在1982年首次提出，提供了对分布式共识问题的一种情景化描述。论文同时提供了两种解决方案： 口信消息型解决方案(A solution with oral message) 签名消息型解决方案(A solution with signed message) 拜占庭容错问题的解决需要满足以下条件： 容错性：系统需要具有一定的容错能力 去中心化：系统需要具有一定的去中心化程度 公正性：系统需要具有一定的公正性和公正分配机制 问题描述 拜占庭将军问题描述了这样一个场景：拜占庭帝国的几个师驻扎在敌城外，每个师由各自的将军指挥，将军们只能通过信使相互沟通。他们必须制定一个共同的行动计划，但其中一些将军可能是叛徒，试图阻止忠诚的将军达成一致的行动计划。 解决方案 口信消息型解决方案 ： 基于口信消息的定义：消息将被正确传达、接收者知道发送者、消息缺席可被检测 对于m个叛将，至少需要3m+1个将军才能达到一致行动方案 需要进行m+1轮作战信息协商 签名消息型解决方案 ： 在口信消息定义基础上增加：忠诚将军的签名无法伪造、签名内容更改可被发现、任何人都能验证签名真伪 可以处理任何数量叛将的场景 共识分类 POW共识机制 工作量证明机制(PoW)是最早的共识机制之一，比特币等许多区块链系统采用。 区块结构 比特币区块由区块头(Block Header)和区块体(Block Body)组成： 区块头包含 ： 版本号(Version)：4字节 父区块哈希值(Previous Block Hash)：32字节 时间戳(Timestamp)：4字节 梅克尔根(Merkle Root)：32字节 难度目标(Difficulty Target)：4字节 随机数(Nonce)：4字节 区块体包含 ： 交易计数器(Transaction Count) 交易列表(Transaction List) 证明要素 POW机制需要满足三个要素： 区块构造 ： 使用Merkle树算法计算交易哈希 从叶子节点开始逐层计算哈希值，最终得到根节点的hash值 POW函数 ： 比特币采用SHA-256函数 示例Go代码实现工作量证明函数 难度值计算 ： 动态调整算法，保持区块产出速度稳定 计算公式：new_ target = old_ target * (actual_ time / target_ time) 参数说明： old_ target：前2016个区块的难度目标值 actual_ time：前2016个区块实际产出时间总和 target_ time：理论上应该产生这些区块所需的时间总和(14天) 证明原理 工作量证明机制的主要特征是： 请求方需要做一定难度的工作计算出结果 验证方却很容易通过验证结果是否满足要求来确认客户端是否做了相应工作 核心特征是不对称性 证明流程 构造候选区块 计算哈希值 验证哈希值 调整难度 奖励矿工 共识记账流程 客户端产生新的交易，向全网广播 每个节点收到请求，将交易纳入区块中 每个节点通过POW工作量证明寻找证明 当某一个节点找到了证明便向全网进行广播 其他节点验证区块的有效性 接受该区块且在该区块的末尾制造新的区块 POS共识机制 权益证明机制(Proof of Stake)根据持有的数字货币数量来决定下一个区块的生成权。 版本演进 PoS 1.0版 ： 在PeerCoin中应用 采用币龄(CoinAge)概念，币龄越大则挖矿难度越低 导致用户参与度低，安全性问题 PoS 2.0版 ： 移除币龄概念 采用完全不同的锚定修饰符(Stake Modifier) BlackCoin等使用 PoS 3.0版 ： 在锚定修饰符中移除前一区块的币龄 UTXO年龄由区块高度决定 增加对锚定交易OP_ RETURN的支持 要求挖矿节点持续在线并积极参与权益交易 工作流程 抵押加密货币 随机选择权益地址 出块和验证 奖励和手续费 惩罚机制 DPOS共识机制 委托权益证明机制(Delegated Proof of Stake)是POS的改进版，最早出现在BitShares中。 优势 更高的效率：使用委托权益和见证人轮流出块机制 更高的安全性：使用委托权益和轮值委员会机制 更低的参与门槛：普通用户可通过委托权益参与 委托选择方式 投票机制：委托者通过投票选择和更换见证人 自主选择：委托者根据见证人表现和声誉选择 选择见证人需考虑： 可靠性和表现 奖励和手续费 社区声誉 工作流程 抵押加密货币 委托权益 见证人轮流出块 奖励和手续费 惩罚机制 以太坊类共识算法 以太坊有两个共识算法： clique：PoA(权威证明)共识，主要用于测试网络 ethash：PoW(工作量证明)共识算法，用于正式网络 共识引擎 Engine接口定义了共识引擎需要实现的所有函数，按功能可分为： 区块验证类：以Verify开头，验证区块有效性 区块盖章类：包括Prepare/Finalize/Seal等，用于生成有效区块 区块验证过程 验证区块头：Ethash.VerifyHeaders() 验证区块内容：BlockValidator.VerifyBody() 执行区块交易：BlockProcessor.Process() 验证状态转换：BlockValidator.ValidateState() 区块盖章过程 准备工作：调用Ethash.Prepare()计算难度值 生成区块：调用Ethash.Finalize()打包新区块 区块盖章：调用Ethash.Seal()进行POW计算，填充nonce值 源码分析 ethash目录结构 algorithm.go：Dagger-Hashimoto算法实现 api.go：RPC方法 consensus.go：共识设计 difficulty.go：难度设计 ethash.go：cache结构体和dataset结构体实现 sealer.go：共识接口Seal实现 关键函数实现 Author() ：返回矿工地址 VerifyHeader() ：校验区块头 VerifyUncles() ：验证叔区块 ValidateBody() ：验证区块体 Prepare() ：初始化区块头部的难度字段 CalcDifficulty() ：实现区块难度调整 verifySeal() ：检查区块是否满足POW难度要求 Finalize() ：计算收益以及MerKle Root Seal() ：寻找满足区块难度需求的nonce值 mine() ：实际的pow矿工，检索nonce值 远程验证 startRemoteSealer() ：开启远程验证 loop() ：主循环函数 makeWork() ：为外部矿工创建work package notifyWork() ：将新work通知给挖矿节点 submitWork() ：验证提交的pow解决方案 文末小结 本文详细介绍了区块链共识算法的工作流程、拜占庭协议、共识算法的分类，并对以太坊的共识算法进行了深入分析。共识机制是区块链技术的核心，不同的共识机制各有优缺点，适用于不同的应用场景。