POS、PBFT共识算法的介绍

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所属分类:网络安全
摘要关于两个共识算法的一些介绍;也是最近有接触到,就查了一些资料,这一篇文章就对我看的进行一下总结(网上能查到的资料太多了,需要进行一个总结归纳)。

PBFT(实用拜占庭容错算法)

基于拜占庭将军问题,PBFT算法一致性的确保主要分为这三个阶段:预准备(pre-prepare)、准备(prepare)和确认(commit)。流程如下图所示:

POS、PBFT共识算法的介绍

我们首先解释一下上面各个符号表达的意思:

  • C表示客户端;
  • 0,1,2,3表示4个节点;
  • 0在这里为主节点,1,2,3为从节点;(注意,这里其他节点也可以作为主节点,若0发生错误只能由服务器监测。如果服务器在一段时间内不能完成客户端的请求,则会触发视图更换协议,将其他节点换为主节点)
  • 3为故障节点;

下面我们结合上图,详细说一下PBFT的步骤:

  • Request:请求端C发送请求到主节点,这里是0节点;
  • Pre-Prepare:节点0收到C的请求后进行广播,扩散至123;
  • Prepare:123节点收到后记录并再次广播,1->023,2->013,3因为宕机无法广播;(这一步是为了防止主节点给不同从节点发送不同的请求)
  • Commit:0123节点在Prepare阶段,若收到超过一定数量(2F,实际使用中,F为可以容忍的拜占庭节点个数)的相同请求,则进入Commit阶段,广播Commit请求;
  • Reply:0123节点在Commit阶段,若其中有一个收到超过一定数量(2F+1)的相同请求,则对C进行反馈;

根据上述流程,在 N ≥ 3F + 1 的情況下一致性是可能解決,N为总计算机数,F为有问题的计算机总数

一个例子

下面我们来举一个PBFT(实用拜占庭容错算法)的例子来进行说明。

我们假设N=4,F=1,即有四个节点,其中有一个节点是坏的,我们还使用上面的图,即节点3为故障节点。

  1.  请求端C发送请求到0节点,假设这里请求内容为“1”;
  2.  节点0收到C的请求后进行广播,将请求内容“1”扩散至节点123;
  3.  节点1、2、3收到后内容“1”后,再次广播,节点1->023,节点2->013,节点3因为宕机无法 广播;
  4.  节点0,1,2会在上一阶段分别收到三个请求内容“1”,均超过了2个,于是节点0、1、2会分 别广播请求内容“1”;
  5.  此时如果一个节点(0,1,2中任意一个)收到3(2+1)条commit消息,即对C进行反馈。

 

一个问题说明 — 为什么至少需要N=3F+1个节点

我们在上面讲到,当网络中有F台有问题的计算机时,至少需要3F+1台计算机才能保证一致性问题的解决,我们在这里讨论一下原因。

我们可以考虑:由于有F个节点为故障或被攻击的节点,故我们只能从N-F个节点中进行判断。但是由于异步传输,故当收到N-F个消息后,并不能确定后面是否有新的消息。(有可能是目前收到的N-F个节点的消息中存在被攻击的节点发来的消息,而好的节点的消息由于异步传输还没有被收到。)

我们考虑最坏的情况,即剩下F个都是好的节点,收到的中有F个被攻击的节点,故我们需要使得收到的中好节点的数量N-2F大于被攻击节点的数量F,于是有N-2F>F,即N>3F,所以N的最小整数为N=3F+1。

 

PoS(股权证明)

PoS算法类似于财产储存在银行,这种模式会根据你持有数字货币的量和时间,分配给你相应的利息。
简单来说,就是一个根据你持有货币的量和时间,给你发利息的一个制度。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。

然而,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。同时,为防止非常老或非常大的权益控制区块链,寻找下一区块的最大概率在90天后达到最大值,这一过程保护了网络,并随着时间逐渐生成新的币而无需消耗大量的计算能力。

权益证明必须采用某种方法定义任意区块链中的下一合法区块,依据账户结余来选择将导致中心化,例如单个首富成员可能会拥有长久的优势。为此,人们还设计了其他不同的方法来选择下一合法区块。

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。

 

总结

上面两种都是共识算法,但是使用的环境有一些不同。POS算法目前在以太币上使用。对于不需要货币体系的许可链或者私有链而言,绝对信任的节点,以及高效的需求是上述共识算法并不能够提供,因此对于这样的区块链,传统的一致性算法成为首选,如PBFT(拜占庭容错)。

参考资料

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王 茂南

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