以太坊目前所使用的共识算法介绍
如果别人问你“以太坊
目前所使用的共识算法”是什么?如果你此时去浏览器搜索发现有些文章说是PoS
,又有些说是PoW
。
完整且正确的说法应该是这样的,这其实也是PoW共识机制
与以太坊
的关系。首先以太坊的源码是分有阶段,不同阶段所使用的共识算法要分开来说。所分的阶段有:
Frontier
(前沿)。这个阶段的版本是以太坊的基础,此时的以太坊具备了挖矿
、交易
以及智能合约
功能模块。但是没有供普通用户使用的图形化界面
,仅适合于开发者使用。所使用的共识算法是“PoW”。Homestead
(家园)。这个阶段的以太坊网络变得更加稳定,且具备了图形界面的钱包软件。所使用的共识算法还是是“PoW”。Metropolis
(大都会)。分有下面两个子版本:拜占庭
。发布了集合钱包功能以及合约发布等丰富功能的图形化界面软件“Mist
”,同时也引入了很多新的技术,例如零知识证明
,抽象账号等。使用的共识算法仍然是“PoW”。君士坦丁堡
。使用混合共识算法“PoW + PoS”,为“宁静”做铺垫。
Serenity
(宁静)。将把以太坊的共识算法全部换成基于“PoS”的变种算法--“Casper投注共识
”,它属于PoS
系列。
截至2018-12-14
,目前以太坊的最新发布版本是Metropolis
大都会的拜占庭
。由上述可知,在以太坊发展的过程中,它的共识算法对于不同的阶段,分别是:PoW共识
,PoW + PoS 共识
和PoS
Chost 协议
Chost 协议
的全称是“Greedy Heaviest-Observed Sub-Tree protocol
”,贪婪子树协议,又称幽灵协议
,它属于主链选择协议
范畴。
首先在比特币公链
中,它是根据最长链规则
来解决区块链分叉问题的。请注意,并不是所有的区块链公链解决分叉问题都是使用最长链规则
,以太坊就不是。
选择最长链
以太坊解决区块链分叉问题目前所使用的 是Ghost 协议
,所以Ghost
协议的真实作用是用来进行主链选择
的。不同于比特币的最长链规则
,它在选择最长链的时候不以哪条链区块连续最长为标准,而是将分叉区块
也考虑了进去,选择出一条包含了分叉区块在内区块数目最多的链作为最长链。例如下图所示:
在上图的分叉情况中,在比特币公链中,最终胜出的是链:0 <- 1A <- 2C <- 3F <- 4B <- 5A,一条由最长链规则
选择的链。而在以太坊公链中,由幽灵协议得出的最终胜出的是:0 <- 1A <- 2B <- 3D <- 4A 。
原因就是在上面的分叉情况中,幽灵协议把分叉区块
也考虑进去了,统计总的区块数,发现在包含了区块: 0,1A,2B,3E,3D,3C,4A 的链是含有区块数最多的。因此该链胜出,这就是幽灵协议选择最初链的机制。
分叉块处理
此外,对于在最长链中
被包含进去了的造成链分叉
的块,例如上图中的3E
和3C
,Ghost 协议
对它们也有一套对应的处理机制,这些区块会被根据规则处理为:
- 孤块,完全没用的块,挖出的矿工没任何收益。
比特币链中的分叉块都是孤块
。 - 叔块,被一定范围内的后续子块所打包收纳的块,挖出叔块的矿工会按照一定算法给予收益。
关于叔块方方面面的通俗详细介绍,在我书里,这里就不展开说了。
我们总结一下,Ghost
幽灵协议在以太坊中主要起到了下面两点作用:
- 选择出最长链
- 对最长链中分叉块进行处理
Casper PoS变种共识机制
前提:Casper 目前还没完全公布,还处于开发中,下面内容是根据目前现有的知识总结出的。
作为以太坊第四阶段版本的共识机制,Casper投注共识
增加了惩罚机制
,并基于PoS
的思想在记账节点中选取验证人
,能够投注的角色是:验证人
。可以将这类角色理解为新一代以太坊矿工。
在casper共识机制中,验证人
要拿出保证金
的一部分对它认为的大概率胜出的区块进行下注:
- 如果赌对了,它们就可以拿回保证金外加区块中的交易费用,也许还会有一些新发的货币;
- 如果下注没有迅速达成一致,下注太慢,它们只能拿回部分下注金,相当于损失了一些下注金;
- 因此数个回合之后下注的结果出来,那些选错了的验证人就会输掉它们的下注金;
- 此外如果验证人过于显著的改变下注,例如先是赌某个块有很高概率胜出,然后又改赌另外一个块有高概率胜出,它将被惩罚。
如何成为验证人
想成为验证人,是要进行交保证金
进行申请的,同时也可以在进入后选择退出,加入和退出都会将是以太坊网络中的一种特殊的交易类型
,目前最常见的交易就是转账ETH代币
。也就是说,到时候可能要调用一定的以太坊接口来进行申请成为验证人
。保证金很有可能就是以太坊ETH代币,它将会被用来投注,或被因被以太坊惩罚而没收掉。
目前Casper
的验证人逻辑将会通过一个名称为Casper合约
的东西来实现,合约它提供投注,加入,取款和获取共识信息等一系列功能,因此通过简单的调用Casper合约我们就能提交投注或者进行其他操作。Casper合约的内部状态如下:
这个合约
会记录当前的验证人集合,对于每位验证人的6项主要字段解析如下:
Return address
,验证人保证金的返还地址Deposit size
,当前验证人保证金的数量(注意验证人的投注会使这个值增加或减少)Validation code
,验证人的验证代码Seq
,最近一次投注的序号Prevhash
,最近一次投注的hash- 验证人的每次投注的表格
验证人如何获取保证金
别人转账给验证人的钱包地址,或者在早期版本基于PoW
挖矿收获。
候选区块如何产生
验证人出块,出块是一个独立于其它所有事件而发生的过程:验证人收集交易,当轮到
他们的出块时间时,他们就制造一个区块,签名,然后发送到网络上。
按照什么规则轮着出块
由Casper
机制提供规则。
如何判断胜出区块
当验证人中的绝大多数,满足协议定义阈值的一群验证人的总保证金比例达到67%到90%之间某个百分比以非常高的概率,下注某个块胜出的时候,此区块胜出。
验证人联盟投注的作弊问题
不难看出Casper
投注方式是存在有验证人联盟在一起,共同投注某个区块使之胜出的问题的,对于这个问题的解决方案,目前以太坊还没完整公布,处于进一步的研究之中。
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