混合共識—loT落地的最佳姿態

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區塊鏈從2009年發展至今,已經演變出多種共識機制。關於演算法的共識之爭持續演進著,擁有諸多後發優勢的“新共識演算法”雖然都在解決著之前共識演算法中存在的一些問題,但同時也暴露出另一些問題,沒有一個共識演算法是包治百病的靈丹妙藥。

對於共識之爭,現在我們就可以給出一個結論:“沒有完美的,只有最合適的
眾所周知,在“不可能三角”的各項研討中,去中心的結果往往意味著低效的TPS,而物聯網的海量資料就成為共識構建中一塊無法搬走的巨石,那麼在區塊鏈+物聯網loT的領域裡,究竟什麼才會是適合的共識呢,讓我們先從共識演算法的演進說起。
一、共識演算法的演進過程
目前,大部分的區塊鏈共識都來自“BFT家族”、“Proof of X家族”,又或者是兩大家族之間的結合。
在區塊鏈領域,雖然我們最常聽到的是POW或者POS,但是BFT(拜占庭容錯共識)絕對是分散式計算領域發展較早的共識機制,但是由於本身的擴充套件性差等問題,應用場景有限。在區塊鏈誕生後,BFT類共識也隨之復興,主要應用於許可鏈內,也可在修改後應用於公鏈,比如很多後期發展出的DBFT、PBFT。現在Libra採用的LibraBFT共識也是基於新型的BFT共識HotStuff。
Proof of X是目前公鏈領域內應用較多的一類共識。其中PoW 最早被應用,但存在資源浪費、算力集中、缺少終局性以及效能低下等。
PoS是目前有力競爭者,可避免資源浪費、弱化了中心礦池需求、降低51%攻擊可能性,但也同時存在確定記賬節點數量困難、存在非預期的中心化問題、Nothing at Stake等問題。
為了解決以上弊端,當前也誕生了許多混合類共識,希望既融合兩者的優勢,又能規避某些弊端,包括 PoW+PoS、DPoS+BFT等。所以混合共識機制可能會是公鏈後期發展的一個出路
在一個公鏈專案的早期階段,如果使用 PoS系列協議會則會帶來很多問題,而這些問題在 PoW 協議下是可以避免。去使用 PoW 協議啟動主網的區塊鏈則可以實現分散的共識,從而避免這些問題。當 PoW 公鏈經過一段時間的發展,股權分佈相對分散以後,可以選擇“ PoS+ ”共識機制。
二、 PoW共識演算法
PoW(Proof of Work)即工作量證明,根據礦工的工作量對數字貨幣進行分配,礦機的效能越高,數量越多,工作量越大,得到的數字貨幣就會越多。
BTC是採用PoW方案最典型的例子。它透過挖掘過程包括解決一個數學問題,礦工透過這種技術手段完成了PoW,就獲得了記賬權。因為它需要計算力的資源,成功的礦工會得到BTC作為獎勵。
為了控制貨幣基礎,挖礦被設定成了更加複雜的模式。因為每個礦工解決問題的可能性依賴於他的算力,挖礦的難度由系統中所有算力的總和來決定。對於PoW機制的加密貨幣,礦工是透過競爭解決數學問題來確認和固定轉賬。第一個解決問題的礦工得到獎勵。該問題的複雜是刻意製造的,用來控制貨幣基礎。
這個處理過程被一些人認為是天才之舉,很好的解決了拜占庭將軍問題。但是被另外一些人批評沒有效率因為白白損失了資源。同時,單一的PoW機制也面臨著51%算力攻擊等安全性問題
隨著BTC的發展與區塊鏈的行業發展,PoW機制的缺點也暴露了出來。
持幣者無法參與任何決策,話語權集中在礦工的手中,這與去中心化的理念背道而馳,決策權集中在少數礦工手中。
同時,PoW面臨著參與成本高的問題。一個新參與數字貨幣的投資者,很少會有精力對礦機等進行管理與佈局,這樣大多數使用者與持幣者無法參與到決策中去,使得權力過於集中。比如位元大陸就是一個例子,它的算力已經可以暗箱操控全網了。
以下就分別討論PoW演算法的幾大突出問題。
資源浪費
PoW 共識過程高度依賴區塊鏈網路節點貢獻的算力,這些算力主要用於解決 SHA256 雜湊和隨機數搜尋,實際上並不產生任何有效際的社會價值。隨著加密數字貨幣的日益普及和專業挖礦裝置的出現,加密數字貨幣生態圈已經在資本和裝置方面呈現出明顯的“軍備競賽”態勢,逐漸成為高能耗的資本密集型行業,進一步凸顯了資源消耗問題。根據一些國外網站的資料顯示,如果把比特幣加以太坊看做一個國家,其挖礦消耗的總電量已經超過阿爾及利亞、以色列和希臘等國家,在全球排名第 45 位。
單看以太坊,其挖礦消耗的總電量超過馬其頓、宏都拉斯和安哥拉等國家,每年耗電約 8.63 萬億瓦時,佔全世界用電量的 0.04% 。
算力集中
中本聰設計 PoW 共識機制的前提是算力和計算節點的均勻分佈。但隨著比特幣數量減少,對算力的要求則越高,人們開始透過聯合挖礦加速比特幣的獲取,從而催生了礦池挖礦的新玩法。礦池的出現,一定程度上破壞了比特幣等加密數字貨幣體系的平衡,馬太效應逐漸顯現。
根據btc.com資料顯示,過去一年礦池算力份額排名前五位的 BTC.com、AntPool、SlushPool、ViaBTC 和 BTC.TOP,佔據比特幣總算力份額的資料是 64.6% 。理論上來看,這五大礦池聯手,確實具備了發起 51% 算力攻擊的能力。雖然實際上,這些礦池為掌握全網 51% 算力所需的成本投入遠超成功實施攻擊後的收益,但 51%攻擊的安全性威脅始終存在,引發人們對算力集中的擔憂。
業務處理效能低下
換句話說,就是基於PoW的共識,TPS一般比較低下。
PoW 共識演算法雖然投入了大量的能源支援系統的執行,但這些能源消耗絕大部份是用於工作量證明中的雜湊運算,區塊鏈網路處理交易業務(TPS)的效能則非常低,比如比特幣每秒只能進行大約 1 * 1024 * 1024 / 250 / (10 * 60 ) = 6.99 筆交易。
三、DPoS共識演算法
DPoS是基於PoW及PoS的基礎上,出現的一種新型的保障數字貨幣網路安全的共識演算法。它既能解決PoW在挖礦過程中產生的大量能源過耗的問題,也能避免PoS權益分配下可能產生的“信任天平”偏頗的問題那麼,DPoS就能順理成章成為共識機制3.0脫穎而出的代表性共識機制。
DPoS它能夠讓使用者廣泛參與到挖礦中來 ,指的是讓每一個持幣者都可以進行投票,由此產生一定數量的代表 ,或者理解為一定數量的節點或礦池,他們彼此之間的權利是完全相等的。持幣者可以隨時透過投票更換這些代表,以維繫鏈上系統的“長久純潔性”。
我們可以以我國的人大代表制度來理解DPoS共識制度的涵義。當被選出來的人大代表不能再履行人民賦予他們的職責之時(當然,在區塊鏈系統中,指的是他們無法維繫整個網路的執行過程),他們將會被除名,而網路將會重新選出新的代表來代替他們的位置。
DPoS的優勢就在於能將維繫網路執行的能源消耗降到最低,以一種低成本的方式來管理整個鏈上的執行,這就很大程度上解決了PoW的能源耗損問題。同時,更加“去中心化”的管理方式,將區塊鏈網路執行的決定權分散到全網的各個節點手中,這就很大程度上避免了PoS容易出現的被莊家操縱的“控股”現象。DPoS共識機制的出現,將透過實施區塊鏈上的“民主”來對抗“中心化”所產生的負面效應,用被公選的“弱中心化”的方式來提高全網運維的效率。
四、PoW + DPoS混合共識機制
PoW+DPoS的混合共識機制,DPoS能夠將受眾群體最大化。參考EOS的超級節點,首先在真金白銀的收益上。按EOS白皮書的說法,EOS每年會增發代幣的1%給維持節點的人。EOS總量是10億,1%也就是1000萬個EOS;就按40RMB單價來算,一共是4個億,再分給21個節點,每個節點每年仍有接近2000萬的收益。別忘了,以上是按40RMB估算的價格,未來EOS能上漲多少還不能確切估計,一旦價格起飛,那麼這些超級節點們在未來的收益是不可估量的。
其次在區塊鏈的世界地位上。成為了EOS超級節點,也就成了EOS網路的“一級代理商”,擁有EOS生態的投票權與話語權。
這樣的好處是DPoS的機制帶來的效益。並且在網路不穩定的情況下,PoW機制還能在網路執行的前期彌補不足。PoW + DPoS的混合機制很好的達到了兩種共識演算法的互補。類似與PoW + PoS的混合共識機制。
BTC的礦工相對於整個BTC的參與群體中在數量上只佔了一小部分,其餘大部分為BTC投資客和使用者,對BTC的發展與穩定起不到積極作用。
該混合共識機制的創新性就是讓持有token的使用者與礦工均可以參與到投票中,共同參與社羣的重大決定,共識結果被廣泛認可,無需開發者干預,而這才是真正相對的去中心化。
採用該混合共識方案的區塊鏈的社羣才能較好的達到以下目標:
· 參與性(participative)
· 協作性(collaborative)
· 合作性(cooperative)
· 分散式(distributed)
· 去中心化的(decentralized)
· 自治的(autonomous)
這6個特性的的高效社羣,以混合機制來實現廣義上的去中心化自治組織(Decentralized Autonomous Organization)的高效執行。該混合機制使得數字貨幣的持有者可以直接參與專案的重大決策,而不需要購買昂貴的礦機。
總的來是,透過PoW,使得Bigbang有挖礦的硬性成本作為幣價的保證。礦工是幾乎不會低於成本價出售token的,而隨著算力的提高,不斷上漲的挖礦成本也會使幣價處於穩定向上的狀態,又制約了單獨DPoS機制裡token過於集中的問題。
另一方面,DPoS讓中小投資者著眼於專案的中長期的發展,中小戶更傾向於把幣放在錢包裡進行DPoS而不是放在交易所隨時準備交易。使得Bingbang生態更加健康,人們會將注意力更多的放在Bigbang等IoT資料上鍊的技術與落地應用上,而不是僅僅關注短期的價格波動。
因此PoW礦工和DPoS礦工都能參與系統共識併發揮重要作用。
五、PoW+PoST+PoRep型礦場
目前幾乎所有的礦機都在浪費資源,不僅僅是PoW消耗電力,連PoST/PoRep共識下的儲存型礦場都是閒置的,閒置CPU/頻寬/記憶體/儲存能力,因為單純的PoW本身就有大量消耗資源的設計缺陷,而PoST/PoRep又因為沒有落地應用場景導致沒有資料可被儲存,在不同共識下產生的礦場都存在著致命設計缺陷。
在BigBang團隊研發的物聯網公鏈中,將三種共識同時引入解決上述問題。
PoW可以讓礦機透過FPGA等硬體加速方式進行加速Solo而讓Token分佈更加分散,而後期的CPU與FPGA可以為資料分發、索引、挑戰驗證進行服務與加速,而且礦機在DPoS大規模執行後進行PoW的計算也有一定概率為主網出塊獲得獎勵,同時也可以防止因DPoS節點集體罷工而導致區塊網路整體癱瘓;礦機本身的儲存能力與頻寬則可以為IoT方向產生的海量資料提供資料儲存能力,且所有礦機都可以透過資料儲存、資料分發、資料索引、挑戰驗證等方式獲得Token激勵。
因此,PoW+PoST+PoRep共識的結合是恰到好處的混合共識組合,無需浪費資源,達到海量資料的上鍊、索引,同時以更加公平的方式進行Token的釋放和治理。

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