区块链共识算法及其安全分析

前言

区块链作为一种去中心化的分布式公共数据库，通过分布式节点共同利用密码学协议维护系统，而不依赖中央管理机构。节点间通过底层共识协议保证账本一致性。区块链可分为公有链和许可链，不同应用场景使用不同的共识算法，其安全性也有所区别。

一、共识安全模型分析

区块链本质是分布式系统，不同共识模型在不同环境下能容忍的错误类型与数量不同。

1. 同步模型

• 要求发送方与接收方类似面对面应答
• 消息延迟时间Δt是确定的
• 算法执行时间也是确定的
• 现实中不存在，仅作为理论假设
• 如果在同步模型下无解，异步模型下更无解

2. 异步模型

• 消息延迟时间Δt不确定，可以是任意长时间
• 程序可能因等待消息而阻塞
• 无法区分消息延迟与节点宕机
• 保证安全性但牺牲系统灵活性

3. 半同步/半异步模型

• 结合同步和异步模型的优点
• 设计最长超时限制tmax
• 超过tmax未收到消息则判定节点宕机

二、PoW共识算法

工作量证明(Proof of Work)机制由Nakamoto提出，作为比特币系统的共识机制，通过计算能力寻找特定数字使区块满足要求。

PoW工作原理

1. 每个节点需要完整本地账本
2. 节点通过算力竞争记账权
3. 比特币约每10分钟一轮算力竞赛
4. 胜者获得记账权并同步新增账本

PoW示例

给定字符串"blockchain"，连接nonce随机数(32位)后进行SHA256哈希运算，要求结果以若干0开头：

blockchain1 → 4bfb943cba9fb9926df93f33c17d64b378d56714e8a29c6ba8bdc9690cea8e27
blockchain2 → 01181212a283e760929f6b1628d903127c65e6fb5a9ad7fe94b790e699269221
...
blockchain515 → 0074448bea8027bebd6333d3aa12fd11641e051911c5bab661a9b849b83958a7
blockchain2688 → 0009b257eb8cf9eba179ab2be74d446fa1c59f0adfa8814260f52ae0016dd50f
blockchain48851 → 00000b3d96b4db1a976d3a69829aabef8bafa35ab5871e084211a16d3a4f385c
blockchain6200969 → 000000db7fa334aef754b51792cff6c880cd286c5f490d5cf73f658d9576d424

PoW算法流程

区块表示为三元组B=(h',tx,nonce)，其中：

• h'：前一个区块哈希
• tx：交易记录
• nonce：32位整数

系统设定难度值D，定义哈希值前导0数量：

系统输入: tx、nonce、D
PoW过程:
1: nonce = 1(初值)
2: while(H(nonce,tx,h') >= D):
3:   nonce++
4: Broadcast(<nonce,tx,h'>) //广播计算的值
5: end

三、PoW攻击详解

1. 双花攻击(Double Spending)

同一货币被花费多次。

传统解决方案

• 银行作为第三方按顺序处理交易
• 第一笔处理后，第二笔自然失败

区块链解决方案

1. 交易广播与验证：
   • 交易信息哈希加密并用私钥签名
   • 其他用户用公钥验证
2. 记账权竞争机制使攻击代价巨大
3. 交易确认时间长导致可能实现双花

区块链防御措施

• 检查比特币状态，已花费则拒绝交易
• 交易确认前发起矛盾交易会被矿工拒绝

2. 51%攻击

PoW允许存在多条分叉链，最长链被认为是主链。

攻击过程

1. 攻击者向一半网络广播交易A，另一半广播交易B
2. 两边矿工几乎同时取得记账权，导致分叉
3. 攻击者在A分支确认后争取连续记账权使B分支变长
4. A分支被舍弃，交易无效但已获得商品

攻击概率

• 掌握1%算力：连续两次记账概率10^-4
• 6次确认后交付商品可大幅降低风险
• 掌握51%算力：成功6区块攻击概率约0.018

3. 自私挖矿(Selfish Mining)

矿工维护公开和私密两条链：

1. 挖到区块后不广播，添加到私密链
2. 提前计算下一个区块
3. 即使当前区块被他人发布，也可公布自己的区块
4. 诚实矿工可能选择支持攻击者分叉

特点：

• 仅对PoW有效
• 利用网络传播时延

四、PoS与DPoS共识算法

1. PoS(股权证明)算法

用股权代替计算资源选举领导人，避免算力竞争。

Peercoin实现

• 币龄(coins * age)影响挖矿难度
• 计算公式：success = <coins * age * target>
• proofHash < success时挖矿成功

算法流程：

系统输入: tx、nonce、D
PoS过程:
1: nonce = 1(初值)
2: coins ← accountBalance
3: age ← currentTime - lastTransactionTime //币龄
4: while(H(nonce,tx,h') >= coins * age * D):
5:   nonce++
6: Broadcast(<nonce,tx,h'>) //广播计算的值
7: end

问题

• 长期持有大量资产导致"贫富不均"
• 仍需哈希计算，浪费资源

2. DPoS(委托股权证明)算法

由Bitshares提出，用户分为：

• 见证人(witnesses)：处理交易，维护区块链
• 代表(delegates)：发起更新请求(无报酬)
• 工人(workers)：提出项目想法(投票支持可获得收益)

见证人选举

• 只有永久节点可被选举
• 前N名见证人需获50%以上票数
• 定期重新选举

见证人出块

• 每生产一个块获得报酬
• 未生产区块则无收入，可能失去身份
• 每2秒生产一个区块，超时则转交权利
• 用户监控区块链，选择最长链追加

五、确定性共识算法攻击

1. 重放攻击(Replay Attacks)

一条链上的交易在另一条链上也合法。

原因

• 硬分叉后两条链地址、私钥算法和交易格式相同
• 导致交易可被重放确认

防御措施

• UTXO模型：检查交易Hash是否存在
• Balance模型：使用随机数NONCE防止重放
• 传统方法：
  • 添加时间戳
  • 挑战响应机制

2. 权利压迫攻击

攻击者利用记账权使系统随机数产生偏移，增加下次获得记账权的概率。

方式

1. 通过参数组合增加被选概率
2. 利用当前区块控制力影响下一区块

防御措施

• 要求验证者抵押资产
• 避免使用易操控信息产生随机数

六、参考资料

1. 共识算法基础介绍
2. PoW与PoS比较分析
3. 区块链安全攻击类型
4. 数字货币共识机制发展