区块链混合共识小结

区块链混合共识小结

目前市面上常见的混合共识大体有两类：POW + POS 以及 BFT + POW。

POW + POS 又分为三种情况：

1. POW 与 POS 竞争出块：UBTC
2. POW 确定 Leader，Leader 负责出块： Bitcoin-NG 为代表，包括 Credo、Hcash
3. POW 打包出块，POS 最终化：以 Decred 为代表，包括 Casper、Espers

共识简介

POW：即工作量证明机制。节点地位完全平等，竞争记账能力随节点计算能力提升而增强。

POS：权益证明机制。节点地位完全平等，竞争记账能力随节点持有代币数量和时间的增长而增强。

DPOS：委托权益证明。持币者投票选举产生超级节点，由超级节点完成记账。

PBFT：准入节点制度。所有新加入记账的节点，必须由其他节点进行投票准入。

DBFT：委托准入节点制度。节点们委托特定节点投票决定新节点是否被允许参与记账。

PoW 存在很多优点，包括稳定性好、具有较强的容错性、拥有不错的激励机制、支持用户动态加入与退出等，与此同时，由于PoW存在诸如资源浪费、算力集中、吞吐量低、出块时间不固定、51%攻击、分叉解决慢等诸多为人诟病的问题。

因此对于比特币协议的一个常见扩展是修改其共识机制，比如使用PoS（股权证明）而不是算力来实现共识。然而，纯 PoS 共识机制也存在不少问题，例如：无利害关系（nothing at stake）、远距离攻击、卡特尔集团等等。

UBTC 比特联储

市值排行：第468名

共识机制：POS + POW

官方网站： http://www.ub.com/

github： https://github.com/UnitedBitcoin/UnitedBitcoin

POW 和 POS 竞争出块，持币量大者挖矿谜题难度低。平均50%的区块将由PoS挖出，50%将由PoW挖出。POW、POS的出块时间间隔为1分钟，区块奖励保持1个UBTC。

UBTC奖励的锁定期为7200个区块，在UTXO确认数达到4800时，该UTXO才可以被用来做POS挖矿。POS挖矿的权重和UBTC金额关联，因此用户钱包中确认数大于等于4,800的UTXO越多，UBTC金额越大，越容易出块。

Bitcoin-NG

论文链接： nsdi16-paper-eyal.pdf

共识机制：POW + POS

通过 keyBlock 和 microBlock 的双层链结构来提高交易的吞吐量。keyblock 用于选出 leader，microblock 用于记录账本。

keyblock 的块头与比特币的块头类似，只不过包含 leader 的公钥，用于之后的 microblock。 keyblock 的出块间隔为 10 分钟。

当一个节点被选定为 leader，该节点就可以较快的速度产生 microblock，10 秒钟一个 microblock。microblock 打包交易，并用 leader 的私钥签名，

系统的安全性和健壮性建立在 keyblock 的 PoW 机制上，而系统的交易吞吐量则通过 microBlock 的频繁发布得以显著提高。

安全隐患：

一是不能有效阻止自私挖矿；

二是当某个矿工创建 keyBlock 之后，他可以在短时间内发布大量的 microBlock，从而引发系统大量分叉并最终对共识机制的收敛性造成很大影响，同时也大大加重了系统的通信负荷；

市值排行：第1095名

共识机制：POW + POS

官方网站： https://bitbounce.com/

基本上是 Bitcoin-NG 的实现，只是修改了出块时间间隔。

较高吞吐量：600 tps，100倍于比特币的

较短交易确认时间：大多数情况下为 10 ~ 20秒。

网络周期性地选择单个 Leader 节点来出块。区块链由两种类型的块组成：慢速的 leader blocks，用于确定当前领导者，以及快速的 microblocks，用于携带交易数据。领导者一经选定，就不断地把收到的交易打包到微块中，并广播到网络上。为防止伪造，领导者需用其私钥对其生成的每个微块进行签名。所有其他节点都可以验证这些签名，以验证这些块是否由有效的领导者发布。

动态调整领导者块的PoW难度，以确保网络平均每5分钟生成一次领导者块。微块平均每10秒产生一次。微块也需要PoW计算。领导者可自由选择任意级别的PoW难度，但一旦选择，同样的难度必须适用于该轮中产生的所有微块。

普通账户通过其持有的权益“stake”来提名自己进行代表选举“vote”。抽签并不是秘密，用于随机选择的种子是从前一个领导者块的散列中导出的。因此，一旦产生了领导者块，一组有资格对下一个领导者块进行投票的代表集就确定了。有资格在特定轮次中投票的代表人数限制在1,000人。

市值排行：第168名

共识机制：POW + POS + DAO

官方网站： https://www.decred.org/

github： https://github.com/decred/dcrd

Fork 自 btcd ：go 语言的 Bitcoin 实现。

POW打包记账 + POS投票治理

PoW矿工挖矿产生区块，PoS矿工投票决定区块的合法性，确保在社区意见的情况下主导交易流或对Decred进行更改，实现区块链治理。

PoW 大约5分钟一个块。

PoS来投票决定挖出的区块是否有效，每个区块只需要随机选5张选票进行投票，在至少3张选票通过的情况下区块才被承认有效，可以加到主链上。成功验证区块后得到的奖励为30枚新DCR币，它们将会被分成，60%归PoW矿工，30%归PoS选票持有人，剩下10%预留给参与软件开发的程序员。

PoS的具体机制是由持有DCR的权益人锁定一定数量的DCR购买选票，选票有过期时间，如果过期了还未被选中去投票的话，会全部返回之前购票的货币。购票之后需要等待被矿工挖掘，每个挖出的区块会包含最多20张新鲜选票，这些选票需要等到256个新区块产生后才能成熟，即拥有被选择行使投票权的效力。为了激励矿工把新鲜选票包含在挖出的区块中，会有一个额外的购票费，留给矿工作为奖励。成熟之后如果你的选票顺利被选中去投票，系统会返回购票的货币并加上奖励。每个区块需要随机选5张成熟选票进行投票验证区块的有效性。票价每144个区块（大约12小时）调整一次，目的是将整个选票池控制在40960张。

DAO 自制共识：

步骤1：满足更新的阈值

POW的矿工：至少95%的节点最新的1000个区块都为更新的协议

POS的矿工：至少75%以上的节点需要在2016个区块时间中投票赞成新的协议更新。

步骤2: 投票。

投票将在8064个区块链时间内发生。如果75%的区块表示同意更新，那么更新将会生效。 还没有更新的协议将被允许在一个区块链时间内更新，如果没有更新那么旧的结点将会被主网络舍弃。

市值排行：第458名

共识机制：POW + POS

官方网站： https://espers.io/

github： https://github.com/cryptocoderz/espers

借鉴自 Decred。

HCash 红烧肉

市值排行：第72名

共识机制：POW + POS

官方网站： https://h.cash/

github： https://github.com/HcashOrg

HC主链借鉴了 Decred 和 Bitcoin-NG 的优点，将Bitcoin-NG中的keyBlock/microBlock双层链结构引入PoW中。

POS投票 keyBlock：为解决自私挖矿问题，引入了Decred中的购票交易以及对区块的投票交易机制，由POW挖出的 keyBlock 必须获得足够的赞同票才会被视为合法。

POW两级挖矿：将PoW的难度划分成两级，矿工解决较高难度的哈希难题即可发布keyBlock，而解决较低难度的哈希难题则发布microBlock。

这样就避免了microBlock的发布受某个矿工的任意操纵，因此PoW矿工和PoS矿工都能参与系统共识并发挥重要作用。

HCash 还设计了双链双币机制，将提高吞吐量的解决方案放到了另一条主链 HyperExchange 上去完成，从而保证HC主链可以在一种更安全、更自治的环境中去专注于底层链技术的研发和迭代。

HCash 主链项目的发展经历了三个阶段：

第一阶段 HShare(C++)：Fork 自 Espers，后者 Fork 自比特币，github: https://github.com/HcashOrg/Hshare

第二阶段 HCach(C++)：借鉴了石墨烯代码，github: https://github.com/HcashOrg/Hcash

第三阶段 hcd(go)：Fork 自 Decred 和 btcd，github: https://github.com/HcashOrg/hcd

TrueChain

市值排行：第26名

共识机制：PBFT + POW

官方网站： https://www.truechain.pro/

github： https://github.com/truechain

一条快链，一条慢链。快链是交易块，处理交易，里面记录的是很多交易。交易打包成区块后经过拜占庭委员会（PBFT）的共识即被确认。慢链是水果块，上链数据，里面记录的是很多水果，水果依次递增，每个水果映射一个交易块。慢链区块包含快链区块的内容，通过挖矿完成慢链区块的打包。

PBFT主要解决交易效率问题，委员会由41个节点组成，当交易网络的交易提交到委员会网络以后，交易能够得到快速的确认。

POW主要解决去中心化问题，每个水果和每个快区块一一对应，而每个水果又会被 POW 再次打包出块，如果想要篡改交易，首先要篡改 POW 里面的水果，就必须控制51%的算力。

以 PoW 为基础，选举产生 PBFT 节点的混合共识机制设计可以保证 PBFT 节点出现问题时及时进行重新选举，并对PBFT节点进行实时监督。PoW 协议选择 BFT 委员会成员的依据是csize(挖出的区块数量)和节点权益的结合。这就提供了一种必要的准入系统，以处理动态的成员以及在许可的环境下切换委员会。

委员会的成员是从慢链的水果中的矿工中选举出来。换届有两种方式：一种固定时间的强制换届（即这里的选举），一种由不当行为触发的特定的换届。

共识机制：POW + POS

该机制下的每次出块依然还是采用 POW 挖矿机制，但每 100 个区块会增加一个 POS 检查点（checkpoint），通过验证人（validator）来评估区块的最终有效性。创世区块是一个检查点，区块高度为 100 的倍数的区块也是检查点，将这些检查点连起来就组成了一条检查点链（checkpoint chain）。检查点一般会有两种状态：justified 和 finalized，finalized 则表示已经确定为最终有效的，该状态的检查点至少已经存在一个子检查点，justified 则表示该检查点是已经被证明合理的，finalized 的检查点一定是 justified 的，但反过来则不一定。而一个检查点是否有效，是通过多个验证人投票得出的结果。

首先，要成为验证人，是需要投入保证金的，即抵押一定量的以太币作为权益证明，才有资格成为验证人。投入保证金是通过广播一条 deposit 消息进行操作的，只要这条消息是有效的并被打包进区块中，那就能加入验证人集合（validator set），成为其中一个验证人。另外，如果要退出验证人集合，则可以再广播一条 withdraw 消息。不过，需要注意，一旦退出后，该验证人的公钥将被永久禁止再次加入验证人集合。

接着，成为验证人之后，就可以开始投票选举检查点了，通过广播一条 vote 消息到网络中。vote 消息主要包含五个信息：两个检查点 s 和 t，以及这两个检查点的高度 h(s) 和 h(t)，以及验证人的公钥 ν。要求 s 必须是 t 的祖先，一般来说，t 就是最新的检查点，而 s 是上一个已经确定为最终有效的检查点。另外，还要求验证人的公钥 v 必须在验证人集合中找得到，否则都认为该投票是无效的。当超过 2/3 的验证人（实际上是 2/3 的总保证金）都投给了 (s, t) 这对检查点时，那 s 就是 finalized 的，t 则是 justified 的。而且，那些投注了 (s, t) 的验证人还会得到货币奖励，得到的奖励是和抵押的保证金成比例的，就是说抵押的保证金越多，得到的奖励越多。这个奖励也可以理解为抵押保证金的利息。

市值排行：第14名

共识机制：PoSe(proof-of-service) + POW

官方网站： https://www.dash.org

github： https://github.com/dashpay/dash

在比特币基础上发展起来的一种代币。达世币网络是由工作量证明挖矿（比特币所使用的共识机制）机制来负责保护的，并且它使用的是基于11种不同哈希函数的X11算法。其主节点是一种服务证明（proof-of-service）层，这些节点同时作为交易混频器和助推器，此外它也作为达世币管理系统的投票机制。

将stake证明与工作证明集成在一起来产生主节点。为了成为一个主节点，一个人必须拥有1000 DASH。一旦满足了这个要求，就可以通过传统的工作量证明方法来挖掘区块链。

市值排行：第27名

共识机制：VRF + BFT = vBFT

官方网站： https://ont.io

github： https://github.com/ontio/

Ontology共识网络是由Ontology共识管理合约构建的，共识管理合约永久性在Ontology网络中运行，且定期更新共识网络中节点列表，更新共识网络中VBFT算法的配置参数。在发生网络风险时，共识管理合约也支持通过基于Stake的投票，强制更新共识网络中的节点列表。

在VBFT算法参数中，一个重要的参数为共识网络节点的PoS表。VBFT运行过程中，所有节点根据当前的共识PoS表，随机选择每一轮参与共识的节点，由随机选择的节点完成对应轮的共识工作。

VBFT算法可以认为是传统BFT算法在可验证随机方向的一个改进。在VBFT算法中，首先基于VRF在共识网络中依次选择出一轮共识的备选区块提案节点集、区块验证节点集和区块确认节点集，然后由选出的节点集完成共识。

由于VRF引入的随机性，每轮区块的备选提案节点／验证节点／确认节点都不相同，而且难以预测，从而极大提高共识算法的抗攻击性。

VBFT算法可以概述如下：VBFT的每轮共识中，

1. 根据VRF从共识网络中选择备选提案节点，各个备选节点将独立提出备选区块；
2. 根据VRF从共识网络中选择多个验证节点，每个验证节点将从网络中收集备选的区块，进行验证，然后对最高优先级的备选区块进行投票；
3. 根据VRF从共识网络中选择多个确认节点，对上述验证节点的投票结果进行统计验证，并确定出最终的共识结果。
4. 所有节点都将接收确认节点的共识结果，并在一轮共识确认后开启新的共识。

市值排行：第13名

共识机制：dBFT

官方网站： https://neo.org/

github： https://github.com/neo-project

NEO实现了一种委托的拜占庭容错共识算法，它借鉴了一些 PoS 的特点（NEO持有人需要对共识节点进行投票）利用最小的资源来保障网络免受拜占庭故障的影响，同时也弥补了 PoS 的一些问题。

全网中的NEO节点分为两类节点：

共识记点，负责和其他共识记点之间进行共识通讯，产生新的区块；共识节点由全网用户通过投票产生。

普通节点，不参与共识，但能够验证和接受新的区块。

参与记账的是共识节点，普通节点可以看到共识过程，并同步账本信息，但不参与记账。总共n个超级节点分为一个议长和n-1个议员，议长会轮流当选。每次记账时，先有议长发起区块提案（拟记账的区块内容），一旦有至少（2n+1)/3个记账节点（议长加议员）同意了这个提案，那么这个提案就成为最终发布的区块，并且该区块是不可逆的，所有里面的交易都是百分之百确认的。