常见的共识算法介绍

Posted 2023-04-03

参考技术A

在异步系统中，需要主机之间进行状态复制，以保证每个主机达成一致的状态共识。而在异步系统中，主机之间可能出现故障，因此需要在默认不可靠的异步网络中定义容错协议，以确保各个主机达到安全可靠的状态共识。

共识算法其实就是一组规则，设置一组条件，筛选出具有代表性的节点。在区块链系统中，存在很多这样的筛选方案，如在公有链中的POW、Pos、DPOS等，而在不需要货币体系的许可链或私有链中，绝对信任的节点、高效的需求是公有链共识算法不能提供的，对于这样的区块链，传统的一致性共识算法成为首选，如PBFT、PAXOS、RAFT等。

目录

一、BFT（拜占庭容错技术）

二、PBFT（实用拜占庭容错算法）

三、PAXOS

四、Raft

五、POW（工作量证明）

六、POS（权益证明）

七、DPOS（委任权益证明）

八、Ripple

拜占庭弄错技术是一类分布式计算领域的容错技术。拜占庭假设是由于硬件错误、网络拥塞或中断以及遭到恶意攻击的原因，计算机和网络出现不可预测的行为。拜占庭容错用来处理这种异常行为，并满足所要解决问题的规范。

拜占庭容错系统是一个拥有n台节点的系统，整个系统对于每一个请求，满足以下条件：

1）所有非拜占庭节点使用相同的输入信息，产生同样的结果；

2）如果输入的信息正确，那么所有非拜占庭节点必须接收这个信息，并计算相应的结果。

拜占庭系统普遍采用的假设条件包括：

1）拜占庭节点的行为可以是任意的，拜占庭节点之间可以共谋；

2）节点之间的错误是不相关的；

3）节点之间通过异步网络连接，网络中的消息可能丢失、乱序并延时到达，但大部分协议假设消息在有限的时间里能传达到目的地；

4）服务器之间传递的信息，第三方可以嗅探到，但是不能篡改、伪造信息的内容和验证信息的完整性。

拜占庭容错由于其理论上的可行性而缺乏实用性，另外还需要额外的时钟同步机制支持，算法的复杂度也是随节点的增加而指数级增加。

实用拜占庭容错降低了拜占庭协议的运行复杂度，从指数级别降低到多项式级别。

PBFT是一种状态机副本复制算法，即服务作为状态机进行建模，状态机在分布式系统的不同节点进行副本复制。PBFT要求共同维护一个状态。需要运行三类基本协议，包括一致性协议、检查点协议和视图更换协议。

一致性协议。一致性协议至少包含若干个阶段：请求（request）、序号分配（pre-prepare）和响应（reply），可能包含相互交互（prepare），序号确认（commit）等阶段。

PBFT通信模式中，每个客户端的请求需要经过5个阶段。由于客户端不能从服务器端获得任何服务器运行状态的信息，PBFT中主节点是否发生错误只能由服务器监测。如果服务器在一段时间内都不能完成客户端的请求，则会触发视图更换协议。

整个协议的基本过程如下：

1）客户端发送请求，激活主节点的服务操作。

2）当主节点接收请求后，启动三阶段的协议以向各从节点广播请求。

［2.1］序号分配阶段，主节点给请求赋值一个序列号n，广播序号分配消息和客户端的请求消息m，并将构造PRE-PREPARE消息给各从节点；

［2.2］交互阶段，从节点接收PRE-PREPARE消息，向其他服务节点广播PREPARE消息；

［2.3］序号确认阶段，各节点对视图内的请求和次序进行验证后，广播COMMIT消息，执行收到的客户端的请求并给客户端以响应。

3）客户端等待来自不同节点的响应，若有m+1个响应相同，则该响应即为运算的结果。

PBFT一般适合有对强一致性有要求的私有链和联盟链，例如，在IBM主导的区块链超级账本项目中，PBFT是一个可选的共识协议。在Hyperledger的Fabric项目中，共识模块被设计成可插拔的模块，支持像PBFT、Raft等共识算法。

在有些分布式场景下，其假设条件不需要考虑拜占庭故障，而只是处理一般的死机故障。在这种情况下，采用Paxos等协议会更加高效。。PAXOS是一种基于消息传递且具有高度容错特性的一致性算法。

PAXOS中有三类角色Proposer、Acceptor及Learner，主要交互过程在Proposer和Acceptor之间。算法流程分为两个阶段：

phase 1

a) proposer向网络内超过半数的acceptor发送prepare消息

b) acceptor正常情况下回复promise消息

phase 2

a) 在有足够多acceptor回复promise消息时，proposer发送accept消息

b) 正常情况下acceptor回复accepted消息

流程图如图所示：

PAXOS协议用于微信PaxosStore中，每分钟调用Paxos协议过程数十亿次量级。

Paxos是Lamport设计的保持分布式系统一致性的协议。但由于Paxos非常复杂，比较难以理解，因此后来出现了各种不同的实现和变种。Raft是由Stanford提出的一种更易理解的一致性算法，意在取代目前广为使用的Paxos算法。

Raft最初是一个用于管理复制日志的共识算法，它是在非拜占庭故障下达成共识的强一致协议。Raft实现共识过程如下：首先选举一个leader，leader从客户端接收记账请求、完成记账操作、生成区块，并复制到其他记账节点。leader有完全的管理记账权利，例如，leader能够决定是否接受新的交易记录项而无需考虑其他的记账节点，leader可能失效或与其他节点失去联系，这时，重新选出新的leader。

在Raft中，每个节点会处于以下三种状态中的一种：

（1）follower：所有结点都以follower的状态开始。如果没收到leader消息则会变成candidate状态；

（2）candidate：会向其他结点“拉选票”，如果得到大部分的票则成为leader。这个过程就叫做Leader选举(Leader Election)；

（3）leader：所有对系统的修改都会先经过leader。每个修改都会写一条日志(log entry)。leader收到修改请求后的过程如下：此过程叫做日志复制（Log Replication）

1）复制日志到所有follower结点

2）大部分结点响应时才提交日志

3）通知所有follower结点日志已提交

4）所有follower也提交日志

5）现在整个系统处于一致的状态

Raft阶段主要分为两个，首先是leader选举过程，然后在选举出来的leader基础上进行正常操作，比如日志复制、记账等。

（1）leader选举

当follower在选举时间内未收到leader的消息，则转换为candidate状态。在Raft系统中：

1）任何一个服务器都可以成为候选者candidate，只要它向其他服务器follower发出选举自己的请求。

2）如果其他服务器同意了，发出OK。如果在这个过程中，有一个follower宕机，没有收到请求选举的要求，此时候选者可以自己选自己，只要达到N/2+1的大多数票，候选人还是可以成为leader的。

3）这样这个候选者就成为了leader领导人，它可以向选民也就是follower发出指令，比如进行记账。

4）以后通过心跳消息进行记账的通知。

5）一旦这个leader崩溃了，那么follower中有一个成为候选者，并发出邀票选举。

6）follower同意后，其成为leader，继续承担记账等指导工作。

（2）日志复制

记账步骤如下所示：

1）假设leader已经选出，这时客户端发出增加一个日志的要求；

2）leader要求follower遵从他的指令，将这个新的日志内容追加到各自日志中；

3）大多数follower服务器将交易记录写入账本后，确认追加成功，发出确认成功信息；

4）在下一个心跳消息中，leader会通知所有follower更新确认的项目。

对于每个新的交易记录，重复上述过程。

在这一过程中，若发生网络通信故障，使得leader不能访问大多数follower了，那么leader只能正常更新它能访问的那些follower服务器。而大多数的服务器follower因为没有了leader，他们将重新选举一个候选者作为leader，然后这个leader作为代表与外界打交道，如果外界要求其添加新的交易记录，这个新的leader就按上述步骤通知大多数follower。当网络通信恢复，原先的leader就变成follower，在失联阶段，这个老leader的任何更新都不能算确认，必须全部回滚，接收新的leader的新的更新。

在去中心账本系统中，每个加入这个系统的节点都要保存一份完整的账本，但每个节点却不能同时记账，因为节点处于不同的环境，接收不同的信息，如果同时记账，必然导致账本的不一致。因此通过同时来决定那个节点拥有记账权。

在比特币系统中，大约每10分钟进行一轮算力竞赛，竞赛的胜利者，就获得一次记账的权力，并向其他节点同步新增账本信息。

PoW系统的主要特征是计算的不对称性。工作端要做一定难度的工作才能得出一个结果，而验证方却很容易通过结果来检查工作端是不是做了相应的工作。该工作量的要求是，在某个字符串后面连接一个称为nonce的整数值串，对连接后的字符串进行SHA256哈希运算，如果得到的哈希结果（以十六进制的形式表示）是以若干个0开头的，则验证通过。

比特币网络中任何一个节点，如果想生成一个新的区块并写入区块链，必须解出比特币网络出的PoW问题。关键的3个要素是 工作量证明函数、区块及难度值 。工作量证明函数是这道题的计算方法，区块决定了这道题的输入数据，难度值决定了这道题所需要的计算量。

（1）工作量证明函数就是<u style="box-sizing: border-box;"> SHA256 </u>

比特币的区块由区块头及该区块所包含的交易列表组成。拥有80字节固定长度的区块头，就是用于比特币工作量证明的输入字符串。

（2）难度的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每2016个区块，所有节点都会按统一的公式自动调整难度。如果区块产生的速率比10分钟快则增加难度，比10分钟慢则降低难度。

公式可以总结为：新难度值=旧难度值×（过去2016个区块花费时长/20160分钟）

工作量证明需要有一个目标值。比特币工作量证明的目标值（Target）的计算公式：目标值=最大目标值/难度值

其中最大目标值为一个恒定值：

0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF

目标值的大小与难度值成反比。比特币工作量证明的达成就是矿工计算出来的 区块哈希值必须小于目标值 。

（3）PoW能否解决拜占庭将军问题

比特币的PoW共识算法是一种概率性的拜占庭协议（Probabilistic BA）

当不诚实的算力小于网络总算力的50%时，同时挖矿难度比较高（在大约10分钟出一个区块情况下）比特币网络达到一致性的概念会随确认区块的数目增多而呈指数型增加。但当不诚实算力具一定规模，甚至不用接近50%的时候，比特币的共识算法并不能保证正确性，也就是，不能保证大多数的区块由诚实节点来提供。

比特币的共识算法不适合于私有链和联盟链。其原因首先是它是一个最终一致性共识算法，不是一个强一致性共识算法。第二个原因是其共识效率低。

扩展知识： 一致性

严格一致性，是在系统不发生任何故障，而且所有节点之间的通信无需任何时间这种理想的条件下，才能达到。这个时候整个系统就等价于一台机器了。在现实中，是不可能达到的。

强一致性，当分布式系统中更新操作完成之后，任何多个进程或线程，访问系统都会获得最新的值。

弱一致性，是指系统并不保证后续进程或线程的访问都会返回最新的更新的值。系统在数据成功写入之后，不承诺立即可以读到最新写入的值，也不会具体承诺多久读到。但是会尽可能保证在某个时间级别（秒级）之后。可以让数据达到一致性状态。

最终一致性是弱一致性的特定形式。系统保证在没有后续更新的前提下，系统最终返回上一次更新操作的值。也就是说，如果经过一段时间后要求能访问到更新后的数据，则是最终一致性。

在股权证明PoS模式下，有一个名词叫币龄，每个币每天产生1币龄，比如你持有100个币，总共持有了30天，那么，此时你的币龄就为3000，这个时候，如果你发现了一个PoS区块，你的币龄就会被清空为0。你每被清空365币龄，你将会从区块中获得0.05个币的利息(假定利息可理解为年利率5%)，那么在这个案例中，利息 = 3000 * 5% / 365 = 0.41个币，这下就很有意思了，持币有利息。

点点币（Peercoin）是首先采用权益证明的货币。，点点币的权益证明机制结合了随机化与币龄的概念，未使用至少30天的币可以参与竞争下一区块，越久和越大的币集有更大的可能去签名下一区块。一旦币的权益被用于签名一个区块，则币龄将清为零，这样必须等待至少30日才能签署另一区块。

PoS机制虽然考虑到了PoW的不足，但依据权益结余来选择，会导致首富账户的权力更大，有可能支配记账权。股份授权证明机制（Delegated Proof of Stake，DPoS）的出现正是基于解决PoW机制和PoS机制的这类不足。

比特股（Bitshare）是一类采用DPoS机制的密码货币。它的原理是，让每一个持有比特股的人进行投票，由此产生101位代表 , 我们可以将其理解为101个超级节点或者矿池，而这101个超级节点彼此的权利是完全相等的。如果代表不能履行他们的职责（当轮到他们时，没能生成区块），他们会被除名，网络会选出新的超级节点来取代他们。

比特股引入了见证人这个概念，见证人可以生成区块，每一个持有比特股的人都可以投票选举见证人。得到总同意票数中的前N个（N通常定义为101）候选者可以当选为见证人，当选见证人的个数（N）需满足：至少一半的参与投票者相信N已经充分地去中心化。

见证人的候选名单每个维护周期（1天）更新一次。见证人然后随机排列，每个见证人按序有2秒的权限时间生成区块，若见证人在给定的时间片不能生成区块，区块生成权限交给下一个时间片对应的见证人。

比特股还设计了另外一类竞选，代表竞选。选出的代表拥有提出改变网络参数的特权，包括交易费用、区块大小、见证人费用和区块区间。若大多数代表同意所提出的改变，持股人有两周的审查期，这期间可以罢免代表并废止所提出的改变。这一设计确保代表技术上没有直接修改参数的权利以及所有的网络参数的改变最终需得到持股人的同意。

Ripple（瑞波）是一种基于互联网的开源支付协议，在Ripple的网络中，交易由客户端（应用）发起，经过追踪节点（tracking node）或验证节点（validating node）把交易广播到整个网络中。

追踪节点的主要功能是分发交易信息以及响应客户端的账本请求。验证节点除包含追踪节点的所有功能外，还能够通过共识协议，在账本中增加新的账本实例数据。

Ripple的共识达成发生在验证节点之间，每个验证节点都预先配置了一份可信任节点名单，称为UNL（Unique Node List）。在名单上的节点可对交易达成进行投票。每隔几秒，Ripple网络将进行如下共识过程：

1）每个验证节点会不断收到从网络发送过来的交易，通过与本地账本数据验证后，不合法的交易直接丢弃，合法的交易将汇总成交易候选集（candidate set）。交易候选集里面还包括之前共识过程无法确认而遗留下来的交易。

2）每个验证节点把自己的交易候选集作为提案发送给其他验证节点。

3）验证节点在收到其他节点发来的提案后，如果不是来自UNL上的节点，则忽略该提案；如果是来自UNL上的节点，就会对比提案中的交易和本地的交易候选集，如果有相同的交易，该交易就获得一票。在一定时间内，当交易获得超过50%的票数时，则该交易进入下一轮。没有超过50%的交易，将留待下一次共识过程去确认。

4）验证节点把超过50%票数的交易作为提案发给其他节点，同时提高所需票数的阈值到60%，重复步骤3）、步骤4），直到阈值达到80%。

5）验证节点把经过80%UNL节点确认的交易正式写入本地的账本数据中，称为最后关闭账本（Last Closed Ledger），即账本最后（最新）的状态。

在Ripple的共识算法中，参与投票节点的身份是事先知道的。该共识算法只适合于权限链（Permissioned chain）的场景。Ripple共识算法的拜占庭容错（BFT）能力为（n-1）/5，即可以容忍整个网络中20%的节点出现拜占庭错误而不影响正确的共识。

在区块链网络中，由于应用场景的不同，所设计的目标各异，不同的区块链系统采用了不同的共识算法。一般来说，在私有链和联盟链情况下，对一致性、正确性有很强的要求。一般来说要采用强一致性的共识算法。而在公有链情况下，对一致性和正确性通常没法做到百分之百，通常采用最终一致性（Eventual Consistency）的共识算法。

共识算法的选择与应用场景高度相关，可信环境使用paxos 或者raft，带许可的联盟可使用pbft ，非许可链可以是pow，pos，ripple共识等，根据对手方信任度分级，自由选择共识机制。

区块链之技术进阶七掰一掰区块链共识机制与分布式一致性算法

全文共5845字，阅读预计花费12分钟

编辑： Felton  

来源：云栖社区

本文是【区块链之技术进阶】的第七篇文章，这篇文章将为大家介绍传统分布式一致性算法和区块链共识模型，以及一些有关两者关系的观点，并且将介绍一些常见的区块链共识模型，读完本文相信大家会对于传统分布式一致性算法和区块链共识过程的异同、关系以及区块链技术的共识算法有一个更加深刻的理解。

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本文技术要点：

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本文转载自 blockchaindev.org  作者: chenhao  

一、前言

1. 传统分布式一致性算法和区块链共识过程的异同点

相同点：

• Append only

• 强调序列化

• 少数服从多数原则

• 分离覆盖的问题：即长链覆盖短链区块，多节点覆盖少数节点日志
  

不同点：

• 传统分布式一致性算法大多不考虑拜占庭容错(Byzanetine Paxos除外)，即假设所有节点只发生宕机、网络故障等非人为问题，并不考虑恶意节点篡改数据的问题；

• 传统分布式一致性算法是面向日志（数据库）的，即更通用的情况，而区块链共识模型面向交易的，所以严格来说，传统分布式一致性算法应该处于区块链共识模型的下面一层。
  

2. 区块链共识模型与传统一致性算法的关系

考虑上面的不同点，结合私有链和行业链的性质，我们有：

• 私有链：封闭生态的存储网络，所有节点都是可信任的，如某大型集团内部多数公司。

• 行业链：半封闭生态的交易网络，存在对等的不信任节点，如房地产行业A、B、C、D公司。

• 公有链：开放生态的交易网络，这层主要是为行业链和私有链提供全球交易网络。
  

由于私有链是封闭生态的存储网络，也就是说使用传统分布式一致性模型应该是最优的；由于联盟行业链其半封闭半开放特性，使用Delegated Proof of XXX 是最优的，可以考虑以传统一致性算法作为基础加入拜占庭容错/安全防护机制进行改进。公有链PoW应该仍然是最优的选择。
如下图所示：
             二、传统分布式一致性算法介绍 

本文主要讨论主流的Paxos算法家族和Raft算法，这里抛砖引玉，网络上有关两者的资料非常丰富，大家可自行搜索查阅。

1. Paxos 算法家族

1998年Lamport提出Paxos算法，后续又增添多个改进版本的Paxos形成Paxos协议家族，且Paxos都有共同点是不容易工程实现。

• Classic Paxos ：LeaderLess，又名Basic Paxos，以下均为Paxos的变种，基于CAP定律，侧重了不同方向。

• Cheap Paxos

• Egalitarian Paxos ： conflicts rare

• Fast Paxos ： Leader only when needed ，conflicts common

• Multi-Paxos ：Leader driven

• Byzanetine Paxos
  

"Byzantine Paxos adds an extra message (Verify) which acts to distribute knowledge and verify the actions of the other processors".Lamport 在2011年的论文《Leaderless Byzanetine Paxos》中表示不清楚实践中是否有效，考虑Paxos本身实现的难度，此方案工程角度不是最优，但是系统角度应该是最好的。
本小节Ref：
Wikipedia_Paxos
Leaderless Byzanetine Paxos

2. Raft 算法

这是一个非常友好的算法，容易理解、实现，不过它是Strong Leadership的，也就是说，任意包含Leader的时刻，Leader拥有完全记账权，如果此Leader节点是恶意的，后果不堪设想。且leadership的一致性算法都有个通病，吞吐量受单个节点的限制，这点在Raft身上体现尤甚。
Raft算法简介：https://raft.github.io/
Raft算法动态演示：http://thesecretlivesofdata.com/raft/
3. 其他

• VRR(Viewstamped Replication Revisited)
  

这也是一个基于leadership的一致性算法，相比上述其他算法，它的优点是延迟最小。

三、常见区块链共识模型介绍

摘要

本白皮书介绍一种股权证明机制的新实现方式，该方式可以对交易进行秒级验证，并且能够在更短的时间内提供比现有任何股权证明系统都更好的安全性。在比特币网络产生一个区块的时间过后，一个授权股权证明系统(DPOS)能使你的交易得到20%股东的核实，而在比特币网络声明交易已几乎不可逆(6个区块，约1小时)的时间过后，在DPOS机制下，通过其代表，你的交易已经得到100%股东的核实。

1.0 背景

分布式交易总账需要在尽可能短的时间内做到安全、明确及不可逆，便于提供一个最坚实且去中心化的系统。在实践中，该流程分为两个方面：选择一个独特的节点来产生一个区块，并使得交易总账不可逆。

1.1 工作量证明机制(Proof of Work, POW)

第一个成功解决该问题的尝试是比特币系统(Bitcoin)，比特币系统使用工作量证明机制使更长总账的产生具有计算性难度。工作量证明机制就好比是乐透，平均每10分钟有一个节点找到一个区块。如果两个节点在同一个时间找到区块，那么网络将根据后续节点的决定来确定以哪个区块构建总账。从统计学角度讲，一笔交易在6个区块(约1个小时)后被认为是明确确认且不可逆的。然而，核心开发者认为，需要120个区块(约一天)，才能充分保护网络不受来自潜在更长的已将新产生的币花掉的攻击区块链的威胁。
尽管出现更长的区块链会变得不太可能，但任何拥有巨大经济资源的人都仍有可能制造一个更长的区块链或者具备足够的哈希算力来冻结用户的账户。

1.2 股权证明机制(Proof of Stake, POS)

股权证明机制已有很多不同变种，但基本概念是产生区块的难度应该与你在网络里所占的股权(所有权占比)成比例。到目前为止，已有两个系统开始运行：点点币(Peercoin)和未来币(NXT)。点点币使用一种混合模式，用你的股权调整你的挖矿难度。未来币使用一个确定性算法以随机选择一个股东来产生下一个区块。未来币算法基于你的账户余额来调整你被选中的可能性。
未来币和点点币都分别解决了谁来生产下一个区块的问题，但他们没有找到在适当的时间内使区块链具备不可逆的安全性的方法。根据我们能找到的信息，做到这点，点点币需要至少6个区块(约一小时)，未来币需要10个区块。我们找不到在10个区块后未来币能提供什么级别安全性的根据。

我们之前发布了基于交易的股权证明机制(Transactions as Proof of Stake, TaPOS)的白皮书，在该机制中，每笔交易都包含区块链中前一个区块的哈希值。通过该系统，对任何人而言，网络变得越来越安全而不可逆，因为最终每个区块都经过了股东投票。TaPOS面临的挑战是它没有定义谁来产生下一个区块。

1.3 瑞波共识机制(Ripple Consensus)

瑞波共识算法，使一组节点能够基于特殊节点列表达成共识。初始特殊节点列表就像一个俱乐部，要接纳一个新成员，必须由51%的该俱乐部会员投票通过。共识遵循这核心成员的51%权力，外部人员则没有影响力。由于该俱乐部由“中心化”开始，它将一直是“中心化的”，而如果它开始腐化，股东们什么也做不了。与比特币及点点币一样，瑞波系统将股东们与其投票权隔开，并因此比其他系统更中心化。

2.0 授权股权证明机制(DPOS)

当使用去中心化自治公司(Decentralized Autonomous Company, DAC)这一说法时，去中心化表示每个股东按其持股比例拥有影响力，51%股东投票的结果将是不可逆且有约束力的。其挑战是通过及时而高效的方法达到51%批准。

为达到这个目标，每个股东可以将其投票权授予一名代表。获票数最多的前100位代表按既定时间表轮流产生区块。每名代表分配到一个时间段来生产区块。所有的代表将收到等同于一个平均水平的区块所含交易费的10%作为报酬。如果一个平均水平的区块含有100股作为交易费，一名代表将获得1股作为报酬。
网络延迟有可能使某些代表没能及时广播他们的区块，而这将导致区块链分叉。然而，这不太可能发生，因为制造区块的代表可以与制造前后区块的代表建立直接连接。建立这种与你之后的代表(也许也包括其后的那名代表)的直接连接是为了确保你能得到报酬。

该模式可以每30秒产生一个新区块，并且在正常的网络条件下区块链分叉的可能性极其小，即使发生也可以在几分钟内得到解决。

2.1 成为一名代表

成为一名代表，你必须在网络上注册你的公钥，然后分配到一个32位的特有标识符。然后该标识符会被每笔交易数据的“头部”引用。

2.2 授权你的选票

每个钱包有一个参数设置窗口，在该窗口里用户可以选择一个或更多的代表，并将其分级。一经设定，用户所做的每笔交易将把选票从“输入代表”转移至“输出代表”。一般情况下，用户不会创建特别以投票为目的的交易，因为那将耗费他们一笔交易费。但在紧急情况下，某些用户可能觉得通过支付费用这一更积极的方式来改变他们的投票是值得的。

2.3 保持代表诚实

每个钱包将显示一个状态指示器，让用户知道他们的代表表现如何。如果他们错过了太多的区块，那么系统将会推荐用户去换一个新的代表。如果任何代表被发现签发了一个无效的区块，那么所有标准钱包将在每个钱包进行更多交易前要求选出一个新代表。

2.4 解决区块链分叉

和工作量证明系统及其他股权证明系统一样，最佳区块链是最长的有效区块链。任何时候，一名代表错过签发一个区块的机会，该区块链将比潜在竞争对手短。只要在你的交易被写入区块后的100个区块中的51%被生产出来了，那么你就可以安全地认为你在主区块链上。

也许，在防止区块链分叉所导致的损失方面，最重要的事是在事发后第一时间得知消息。因为代表们通过生产区块得到很好的报酬，他们将保持接近100%的在线时间来防止因被投票罢免而损失收入。你可以安全地认为如果在过去的10个区块中，有一两个区块错过生产，则互联网的某些部分可能正发生连接问题，那么用户应该对此特别警觉并要求额外的确认数。如果10区块中有超过5个错过生产，那么这意味着你很可能在一条支链上，因此应该停止所有交易，直到分叉得到解决。

以一种及时的方式(少于5分钟)简单地发现并警示用户网络分叉，是可以最小化潜在损失的非常重要的能力。而知道你是否正处在一条支链上则更为重要。

2.5 100名代表是去中心化的吗？

因为去中心化已经成为一个流行术语，所以其定义很难完全固定。我们将自由市场看作去中心化的基本形式，并将对进入自由市场设置障碍看作是所有中心化的基础。像任何事物一样，中心化有程度之分，所以我们把授权股权证明机制与其它方案的中心化程度进行对比。

2.5.1 比特币

比特币系统目前正以授权工作量证明(Delegated Proof of Work, DPOW)为基础而运行，因此有大约10名代表控制了绝大多数的哈希算力。在那些为其竞争而能使用规模经济进行无收益挖矿的人手中，哈希算力本身就是中心化的。最后，工作量证明机制为进入市场设置障碍，使得“在职”的区块制造者无法轻易被取代。与比特币系统相比，DPOS在区块生产方面至少去中西化了10倍，并且也许在市场竞争方面去中心化了无数倍。

尽管在哈希算力方面有一定量的去中心化，当想到掌控比特币系统的股东(比特币持有者)所持股份的占比，我们认为比特币系统是最中心化的。如果你考虑使用比特币体系的用户总数，其中参与挖矿的人很可能少于百分之一。

2.5.2 点点币

点点币是一个混合系统，所以它由于工作量证明机制而是部分中心化的。和比特币系统一样，它也有矿池。与比特币相比，点点币无疑是更去中心化的，然而，因为股权证明机制矿池需要用户保持他们的电脑在线且钱包解锁，只有一小部分的股东参与了任何形式的挖矿。

2.5.3 未来币

未来币使用透明锻造，以确定的选出下一个制造节点。可以将其类比为，使用授权股权证明机制但你只能将你的投票权授予你自己，而你获得锻造区块机会的频率直接取决于你的账户余额。在这个意义上来说，未来币比点点币和比特币更为去中心化。但由于对安全风险的顾虑以及事实上大多数常规用户不会整天开启他们的电脑来籍此获得锻造机会方面的优势，它仍然遭受着少的可怜的挖矿参与度。

从这个角度来讲，我们可以断定未来币网络是由一小部分股东来保障网络安全的。事实上，如果你不上线投票，那么你将失去你的选票。为了解决这个问题，一些未来币用户用他们的股权建立股权池，并信任第三方来为他们挖矿。这是以一种形式的授权股权证明来提高股东参与度，但这也使他们的账户余额在他们参加这些矿池时承受风险。

3.0 攻击

一般而言，网络必须抵御两种类型的攻击：拒绝服务攻击和双重支付攻击。一个攻击者通过不把一些或全部的交易加入总账来进行拒绝服务攻击。这种攻击可以由任何拥有51%网络(无论比特币、未来币或其它)的人进行。而利用在网络正试图达成共识时的短期优势，可以进行双重支付攻击。为抵御这些攻击，网络必须使51%的股东尽快达成协议。

3.1 防止排除交易

拥有全部经股东投票选出的100名代表，并且按要求轮流生产区块，意味着任何一笔由至少1%的股东批准的交易能够在30分钟内加入总账。这意味着没有代表可以通过将投票支持其他代表的交易排除在外来获取利益。

3.2 将一些代表的权力中心化

与其所被授权的投票权无关，这前100人所获得的权力权重是相同的，每名代表都有一份相等的投票权。因此，无法通过获得超过1%的选票而将权力集中到一个单一代表手上。
个人或者组织控制区块链的多名代表是有可能的。但是这个过程将需要欺骗很大比例的股东数去支持“傀儡”。即使可以建立这51%傀儡，他们扰乱网络的能力仍将是有限的、能够被快速识别快速纠正的。没有工作量证明机制设置的进入障碍，占据多数的诚实用户会把攻击鉴别出来，然后将代码分叉并无视攻击者生产的区块。这种攻击可以扰乱网络，但不会是致命的。

3.3 针对代表的分布式拒绝服务攻击(DDOS)

4.0 基于交易的股权证明机制(TaPOS)

代表制是一个短时间内达成坚固共识的高效方式，而TaPOS为股东们提供了一个长效机制来直接批准他们的代表的行为。平均而言，51%的股东在6个月内会直接确认每个区块。而取决于活跃流通的股份所占的比例，差不多10%的股东可以在几天内确认区块链。这种直接确认保障了网络的长期安全，并使所有的攻击尝试变得极度清晰易见。

5.0 高质量的服务

假设一个DPOS系统拥有100亿美元的市场总量，平均每年的交易费为0.25%，代表们合计获得所有交易费的10%，那么每名代表每年能获得25,000美元以使其节点保持在线。

这是一个利润可观的角色，许多人将为获取它持续竞争。这意味着每个想要获得这份工作的人都会想方设法从拥有这份工作的人那里把它“偷走”。为做到这点，他们将对代表行为进行统计学分析，以找到对于标准算法的任何偏离行为。一旦找到这种偏离，他们就能有希望赢得一些选票。那些拥有这份工作的人，可能会全力以赴地证明他们正在按标准软件运行。他们越有效地证明其对区块生产的正直性，越有可能保住他们的工作。你可以想象开发者会很快制作出系统，代表们可以通过这些系统快速证明哪些交易得到了广泛的散播。

事实上，市场竞争将产生用以证明代表们的正直性与可靠性的最具创造性的解决方案。让网络变得更安全的工作可以获得很多收益，而尝试绕轮网络则得不到什么好处。

6.0 结论

DPOS流程与TaPOS结合所产生的网络，其网络共识的可证明性将至少3倍于比特币、点点币及未来币网络。DPOS能够更快地达成共识，同时消除随机小股东带来小规模干扰的可能性。经济激励确保了代表们致力于证明他们有良好行为，并可能采用类似于瑞波系统的共识算法(来实现这种证明)。DPOS，事实上，是一种通过无网络分叉之虞的去中心化方式来产生瑞波特殊节点列表的方法。

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下期预告 

下期我们将分享【区块链之技术进阶】的第八篇，将会为我们从另一个角度分享区块链技术，谈一谈区块链技术的安全问题和发展瓶颈，为我们泼一盆冷水，但是正是这盆冷水才能让我们冷静而理性去思考区块链的未来。

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