混合共識(shí)機(jī)制的算法模型與經(jīng)濟(jì)模型的優(yōu)缺點(diǎn)詳解

背景

共識(shí)機(jī)制是分布式系統(tǒng)為達(dá)成狀態(tài)一致性所采用的協(xié)議，是所有分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ)。區(qū)塊鏈領(lǐng)域，聯(lián)盟鏈常采用 BFT（拜占庭容錯(cuò)），pBFT（實(shí)用拜占庭容錯(cuò)）等傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)中常用的共識(shí)機(jī)制；而公鏈項(xiàng)目多采用 PoW， PoS 等中本聰共識(shí)（Nakamoto Consenus）。

BFT，pBFT 等共識(shí)機(jī)制 的共識(shí)過(guò)程快，且一旦共識(shí)達(dá)成就不可再進(jìn)行更改，因此不會(huì)分叉。但這類共識(shí)節(jié)點(diǎn)間需要復(fù)雜的通信，適用于節(jié)點(diǎn)較少且組成穩(wěn)定的 Permissioned 系統(tǒng)。

中本聰共識(shí)是從比特幣的共識(shí)機(jī)制中抽象出的一套共識(shí)體系，基本原理是節(jié)點(diǎn)通過(guò)提供某種證明來(lái)獲取創(chuàng)建新區(qū)塊的權(quán)利，同時(shí)任何節(jié)點(diǎn)都很容易對(duì)該證明的真實(shí)性進(jìn)行驗(yàn)證，從而對(duì)新區(qū)塊達(dá)成共識(shí)。這里的證明可以針對(duì)工作量、權(quán)益、服務(wù)等，對(duì)應(yīng)的共識(shí)機(jī)制為 PoW（工作量證明），PoS（權(quán)益證明），PoSe（服務(wù)證明）等等。具體原理可參考文獻(xiàn)［1］。

中本聰共識(shí)引入了最長(zhǎng)鏈法則和經(jīng)濟(jì)激勵(lì)機(jī)制，使節(jié)點(diǎn)之間可以通過(guò)簡(jiǎn)單通信，達(dá)成共識(shí)［2］。中本聰共識(shí)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，不需要對(duì)加入的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，適用于非許可（Permissionless）分布式系統(tǒng)。但中本聰共識(shí)分叉的可能性較高，且共識(shí)過(guò)程相對(duì)較慢。

?

混合共識(shí)機(jī)制

為了結(jié)合上述兩類共識(shí)機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，一些項(xiàng)目提出了對(duì)兩者進(jìn)行結(jié)合的混合共識(shí)機(jī)制。如 Cosmos［3］， Polkadot［4］，Algorand［5］ 等項(xiàng)目將 PoS（或DPoS） 與 BFT 進(jìn)行結(jié)合，在盡量保持網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放性的同時(shí)，降低分叉的可能性，提升共識(shí)效率。

同時(shí)，不同種類的中本聰共識(shí)也存在各自的不足。如 PoW 的礦工權(quán)力過(guò)大，占有大量算力的礦工有可能發(fā)起 51% 攻擊，礦工進(jìn)行“硬分叉”有可能導(dǎo)致社區(qū)的分裂。而 PoS 共識(shí)則面臨 nothing-at-stake 等問(wèn)題，同時(shí)因?yàn)闆](méi)有運(yùn)營(yíng)成本，導(dǎo)致大量新產(chǎn)生的幣被長(zhǎng)期持有，流通量不足。另外，僅采用一種共識(shí)時(shí)系統(tǒng)往往無(wú)法提供除轉(zhuǎn)賬外更加復(fù)雜的服務(wù)。因此，一些項(xiàng)目提出了結(jié)合不同中本聰共識(shí)的混合共識(shí)機(jī)制，旨在結(jié)合不同共識(shí)的優(yōu)點(diǎn)。如 Decred［6］ 的 PoW+PoS 共識(shí)機(jī)制，Dash［7］ 的 PoW + PoSe 共識(shí)機(jī)制等。

本文將介紹幾種典型混合共識(shí)機(jī)制的算法模型與經(jīng)濟(jì)模型，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

典型混合共識(shí)項(xiàng)目剖析

1. Decred： PoW + PoS

共識(shí)算法

Decred 項(xiàng)目采用了 PoW + PoS 混合共識(shí)機(jī)制。系統(tǒng)的參與者包括：

礦工節(jié)點(diǎn)：區(qū)塊的生產(chǎn)者，打包交易，進(jìn)行 PoW 挖礦

驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)：即 PoS Validator，通過(guò)投票驗(yàn)證 PoW 礦工提交的區(qū)塊，同時(shí)參與治理過(guò)程

開(kāi)發(fā)者：對(duì) Decred 開(kāi)源代碼進(jìn)行維護(hù)，獲得項(xiàng)目預(yù)留基金的獎(jiǎng)勵(lì)

普通用戶：使用 Decred 網(wǎng)絡(luò)，收發(fā)交易

PoW 挖礦

Decred 的 PoW 挖礦過(guò)程和比特幣基本一致，僅對(duì)挖礦算法進(jìn)行修改（Decred 的挖礦算法采用了和比特幣不同的哈希函數(shù) -- BLAKE-256），具體原理參考［8］。與比特幣不同之處在于：

· 礦工創(chuàng)建的區(qū)塊需要提交給驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)進(jìn)行投票驗(yàn)證才能最終被確認(rèn)

· 即使區(qū)塊確認(rèn)，礦工也只獲得部分獎(jiǎng)勵(lì)，其余獎(jiǎng)勵(lì)由驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)和項(xiàng)目基金獲得

PoS 投票

Decred 網(wǎng)絡(luò)中的 PoS 驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行以下投票：

· 投票決定是否接受礦工提交的區(qū)塊

· 投票決定是否通過(guò)某些共識(shí)相關(guān)的升級(jí)

· 投票決定項(xiàng)目預(yù)留基金的去向

成為 PoS 驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的條件是通過(guò)質(zhì)押（鎖定）DCR（Decred 原生幣）獲取 Ticket，再通過(guò) TIcket 進(jìn)行投票。TIcket 的價(jià)格會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整，確?？偟?TIcket 數(shù)量大致保持恒定。節(jié)點(diǎn)通過(guò)質(zhì)押獲取 TIcket 時(shí)還需要支付一定的 Ticket 手續(xù)費(fèi)，作為礦工將對(duì)應(yīng)的 Ticket 打包進(jìn)區(qū)塊的獎(jiǎng)勵(lì)，只有被打包進(jìn)區(qū)塊的 Ticket 才能進(jìn)入 Ticket 池，之后才有可能被選為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)。Decred 中 Ticket 的獲取和銷毀的過(guò)程在［9］中有詳細(xì)闡述。

對(duì)新區(qū)塊進(jìn)行投票

當(dāng)?shù)V工節(jié)點(diǎn)挖到一個(gè)符合難度要求的區(qū)塊，Decred 網(wǎng)絡(luò)會(huì)從當(dāng)前 Ticket 池中隨機(jī)選擇 5 張 Ticket 對(duì)該區(qū)塊進(jìn)行投票驗(yàn)證，Ticket 被隨機(jī)選中的概率符合泊松分布。當(dāng)超過(guò) 3 張 Ticket 驗(yàn)證通過(guò)時(shí)，區(qū)塊才會(huì)被接受。

對(duì)新共識(shí)提案進(jìn)行投票

驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)還可對(duì)共識(shí)升級(jí)提案進(jìn)行投票，只有超過(guò) 75% 的 Ticket 投票通過(guò)時(shí)，升級(jí)才會(huì)被觸發(fā)。基本過(guò)程為：

1. 開(kāi)發(fā)者提出升級(jí)提案

2. 開(kāi)發(fā)者發(fā)布包含該升級(jí)的軟件版本（但還無(wú)法觸發(fā)）

3. 絕大部分礦工節(jié)點(diǎn)（95%）和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)（75%）需要升級(jí)到指定的軟件版本，才可開(kāi)始投票

4. 經(jīng)過(guò)8064個(gè)區(qū)塊的投票（每個(gè)區(qū)塊5票，這樣理論上可以覆蓋整個(gè) Ticket 池），當(dāng)獲得超過(guò) 75% 的同意票時(shí)，升級(jí)才會(huì)被觸發(fā)

5. 若提案通過(guò)，則觸發(fā)升級(jí)；若不通過(guò)，保持原狀

投票決定項(xiàng)目預(yù)留基金的歸屬

Decred 的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)中的 10% 將作為項(xiàng)目預(yù)留基金。用戶可以支付少量的 DCR 在 Politeia 平臺(tái)上發(fā)起對(duì)應(yīng)提案，將預(yù)留基金的部分用于特殊的用戶，如支持生態(tài)中某個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目等。Ticket 的持有者（驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)）可以對(duì)提案進(jìn)行投票，決定提案是否通過(guò)。其步驟和上述提案投票過(guò)程基本相同。

經(jīng)濟(jì)模型

Decred 的原生代幣為 DCR，所有 DCR 都通過(guò)新區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)產(chǎn)生。DCR 采用通縮模型，創(chuàng)世塊獎(jiǎng)勵(lì)為 1，680，000 DCR（預(yù)挖），初始區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)為 22 DCR，且每隔 6144 個(gè)區(qū)塊（區(qū)塊間隔約5分鐘）減少為上一區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)的 100/101，總量固定，約為 2100 萬(wàn) DCR，預(yù)計(jì)在2120年全部挖出。

DCR 和 BTC 類似，在 Decred 系統(tǒng)中可以用于發(fā)送交易和支付手續(xù)費(fèi)。同時(shí) DCR 可以在二級(jí)市場(chǎng)上流通。

除創(chuàng)世區(qū)塊外，所有區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)均按如下方式分配：

· PoW 礦工（區(qū)塊生產(chǎn)者）獲得 60%

· 被選中的 PoS Validator 獲得 30%（每個(gè)區(qū)塊有5個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，每個(gè)獲得 6%）

· 10% 獎(jiǎng)勵(lì)作為項(xiàng)目獎(jiǎng)勵(lì)基金

除 DCR 外，Decred 系統(tǒng)中還有一種名為 Ticket 的 Token，Ticket 僅可通過(guò)質(zhì)押（鎖定）DCR 來(lái)獲得。質(zhì)押本身沒(méi)有成本，但需要支付一定買(mǎi) Ticket 的手續(xù)費(fèi)（用 DCR 支付，作為區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)）。每張 Ticket 的價(jià)格每隔 144 個(gè)區(qū)塊會(huì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使 Ticket 池中可用的 Ticket 數(shù)保持在 40，960 張。Ticket 在 Decred 系統(tǒng)中僅用于投票，且一旦投票完成、或錯(cuò)過(guò)投票、或者過(guò)期（如果 40，960 區(qū)塊內(nèi)都沒(méi)被選中，則自動(dòng)過(guò)期），Ticket 都將消失，被質(zhì)押的 DCR 和獎(jiǎng)勵(lì)的 DCR 將返還給質(zhì)押者。

Ticket 的獲取成本很低（質(zhì)押，而不是購(gòu)買(mǎi)），本身無(wú)法流通，且無(wú)法永久持有，理論上沒(méi)有什么價(jià)值。但其作為參與 PoS 共識(shí)及區(qū)塊治理和項(xiàng)目預(yù)留基金分配的憑證，有可能有一定的市場(chǎng)價(jià)值，不排除在系統(tǒng)外進(jìn)行賄選、買(mǎi)票的可能［10］。

激勵(lì)機(jī)制

礦工（生產(chǎn)者）

· 通過(guò)購(gòu)買(mǎi)礦機(jī)或租用算力進(jìn)行 PoW 挖礦，期望獲得區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)

· 為保證收益，礦工會(huì)繼續(xù)升級(jí)礦機(jī)或租用更多算力，同時(shí)確保了網(wǎng)絡(luò)安全

· 網(wǎng)絡(luò)中每筆交易（包括生成 Ticket 的交易）都包含手續(xù)費(fèi)，礦工會(huì)打包盡量多的交易以獲得更多區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)

· 礦工提交的區(qū)塊需要通過(guò) PoS 驗(yàn)證才能被確認(rèn)，因此除非 PoW 礦工同時(shí)掌握大部分的 PoS Validator，即使具有大量算力的礦工也很難發(fā)動(dòng) 51% 攻擊，攻擊動(dòng)機(jī)較一般 PoW 網(wǎng)絡(luò)更弱

· 進(jìn)行攻擊行為會(huì)被驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)列入黑名單，作惡動(dòng)機(jī)弱

· 為支付運(yùn)營(yíng)成本，礦工傾向于賣(mài)出挖礦所得，為 DCR 提供流動(dòng)性

PoS 驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)（生產(chǎn)者&消費(fèi)者）

· 通過(guò)質(zhì)押 DCR 獲得 Ticket 進(jìn)行投票，成功投票可獲得 30% 的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)

· 區(qū)塊被拒絕將沒(méi)有激勵(lì)，但可以保證網(wǎng)絡(luò)安全，與自身利益一致

· 參與治理本身沒(méi)有激勵(lì)，但參與投票與自身利益一致

· 為獲得更多投票機(jī)會(huì)，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)傾向于鎖定更多 DCR 換取 Ticket

開(kāi)發(fā)者（消費(fèi)者）

· 初始預(yù)挖了 1，680，000 DCR，有升值預(yù)期

· 每個(gè)區(qū)塊的 10% 的作為預(yù)留基金，對(duì)社區(qū)有貢獻(xiàn)的開(kāi)發(fā)者有機(jī)會(huì)獲得

普通用戶（消費(fèi)者）

· 在 Decred 網(wǎng)絡(luò)中使用 DCR 進(jìn)行交易

· 普通用戶質(zhì)押 DCR 獲得 Ticket，也可成為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)獲取收益

· 在二級(jí)市場(chǎng)買(mǎi)賣(mài) DCR 獲取收益

挖礦為整個(gè)系統(tǒng)提供了經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，保證網(wǎng)絡(luò)安全性，保證了 DCR 的流通性。質(zhì)押 DCR 實(shí)現(xiàn)了鎖倉(cāng)，有助于二級(jí)市場(chǎng)價(jià)格的穩(wěn)定。投票和預(yù)留基金使項(xiàng)目更接近于 DAO（分布式匿名組織）的形式運(yùn)營(yíng)，開(kāi)發(fā)者通過(guò)激勵(lì)參與到項(xiàng)目維護(hù)之中。

小結(jié)

Decred 采用了 PoW+PoS 混合共識(shí)機(jī)制，類似機(jī)制在 Sero，HyperPay 等項(xiàng)目中也被使用。與普通 PoW 共識(shí)相比，PoS 驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)制約了 PoW 礦工的權(quán)利，使其無(wú)法發(fā)起“雙花”攻擊。同時(shí)，和純粹的 PoS 共識(shí)相比，由于大部分區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)仍由礦工獲得，處于現(xiàn)金流考慮，礦工傾向于賣(mài)出挖礦收益，因此保證了系統(tǒng)中幣的流通性。純 PoS 共識(shí)的另一個(gè)問(wèn)題是 noting-at-stake［15］，很大原因在于 Staker 獲得所有獎(jiǎng)勵(lì)，且成本太低。而在這個(gè)混合共識(shí)中，PoS 驗(yàn)證者獲得的收益變少，在一定程度上緩解了 nothing-at-stake 問(wèn)題。

然而，該共識(shí)也存在一定弊端，實(shí)際上 PoS 驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)控制了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，他們可以拒絕正常的區(qū)塊，且不需要太高的成本。雖然 Ticket 數(shù)量很多，但實(shí)際上極有可能被少數(shù)大戶持有，使網(wǎng)絡(luò)實(shí)際被大戶所控制。另外，受限于 PoW，其 TPS 往往不高，因此不適用于需要高性能的系統(tǒng)。

2. Dash： PoW + PoSe

共識(shí)算法

Dash 采用了 PoW + PoSe 混合共識(shí)機(jī)制。系統(tǒng)的參與者包括：

· 礦工節(jié)點(diǎn)：區(qū)塊的生產(chǎn)者，打包交易，進(jìn)行 PoW 挖礦

· Masternode：全節(jié)點(diǎn)，可提供即時(shí)交易、隱私交易等附加服務(wù)

· 開(kāi)發(fā)者：對(duì) Dash 開(kāi)源代碼進(jìn)行維護(hù)

· 普通節(jié)點(diǎn)：非全節(jié)點(diǎn)，可使用 Dash 網(wǎng)絡(luò)，收發(fā)交易

PoW 挖礦

Dash 的 PoW 挖礦過(guò)程和比特幣基本一致，僅對(duì)挖礦算法進(jìn)行修改（Dash采用了名為 x11 的挖礦算法，實(shí)際是 11 種哈希函數(shù)的組合），具體可以參考［7］。與比特幣不同之處在于：

· 礦工只能獲得部分區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)，其余將作為 Masternode 獎(jiǎng)勵(lì)和項(xiàng)目預(yù)留

· Masternode 有權(quán)拒絕礦工產(chǎn)生的區(qū)塊

Masternode

Masternode 是 Dash 網(wǎng)絡(luò)中最重要的參與者。成為 Masternode 的條件：

· 證明 1000 DASH 幣的所有權(quán)（相當(dāng)于鎖定，但幣仍可以使用，一旦幣被使用，將從 Masternode 列表中移除）

· 運(yùn)行 Dash 全節(jié)點(diǎn)

· 一臺(tái)運(yùn)行 Linux 的服務(wù)器，上面運(yùn)行 Masternode 相關(guān)的軟件：

（1）服務(wù)器要求有較高的硬件配置：推薦 1核2GHz，4G RAM，60G 硬盤(pán)

（2）服務(wù)器必須有公網(wǎng) IP

只要滿足上述條件，節(jié)點(diǎn)即可發(fā)送一筆特殊的交易 ProRegTx，在鏈上注冊(cè)成為 Masternode。所有 Masternodes 都被添加到 Masternode list 中，列表順序由鏈上注冊(cè)順序（區(qū)塊高度）以及 ProRegTx 交易的哈希唯一確定，在所有 Masternode 中達(dá)成共識(shí)。

與普通節(jié)點(diǎn)相比，Masternode 可以提供一些附加服務(wù)：

1、即時(shí)交易 InstantSend：

· 對(duì)于符合特定要求的交易可以立刻確認(rèn)，不需要等待多個(gè)確認(rèn)，即時(shí)交易不能被雙花

· 即時(shí)交易需要滿足的條件：

（1）交易的所有輸入都被 InstantSend 腳本鎖定

（2）所花費(fèi)的 UTXO 包含在有 ChainLock 的區(qū)塊中

（3）所有輸入本身至少包含 6 個(gè)以上區(qū)塊確認(rèn)

2、區(qū)塊鎖定 ChainLocks

· 由 300-400 個(gè) Masternodes 組成的委員會(huì)達(dá)成一致意見(jiàn)，鎖定某一區(qū)塊

· 區(qū)塊被鎖定后，在同一高度不允許再被分叉，即不可能再進(jìn)行 51% 攻擊

· 如果開(kāi)啟了 InstantSend 功能，則區(qū)塊中所有交易都必須被 InstantSend 鎖定后，才能進(jìn)行區(qū)塊鎖定

3、隱私交易 PrivateSend

· 隱私交易的原理是混幣（Coin-mixing）［12］

· PrivateSend 本身不收費(fèi)，但每一筆交易都要支付一定的抵押款（Collateral，以 DASH 計(jì)），抵押款有十分之一的幾率被收做手續(xù)費(fèi)

· 在混幣過(guò)程中若發(fā)起方?jīng)]有及時(shí)響應(yīng)混幣相關(guān)的信息交互，也有 ? 的可能被沒(méi)收抵押款（作為手續(xù)費(fèi)）

4、治理

· Masternode 對(duì)提案進(jìn)行投票，完成治理過(guò)程

服務(wù)證明 Proof of Service（PoSe）

Dash 中的 PoSe 機(jī)制通過(guò)一套評(píng)分系統(tǒng)證明 Masternode 是否提供了服務(wù)：

· PoSe 評(píng)分系統(tǒng)基于分布式簽名生成（Distributed Key Generation，DKG）過(guò)程，該過(guò)程需要在 Masternode 之間進(jìn)行通信

· 通過(guò)執(zhí)行 DKG 可以產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期提供服務(wù)的 Masternode Quorum，稱為 LLMQ （Long-Living Masternode Quorums），其主要任務(wù)是對(duì)共識(shí)相關(guān)的信息進(jìn)行多重簽名（如InstantSend 交易，區(qū)塊鎖定等）

· Masternode 的初始分?jǐn)?shù)為 0，分?jǐn)?shù)一旦超過(guò) Masernode 列表中 Masternode 的總數(shù)，則masternode 將被視為沒(méi)有提供服務(wù)，從列表中移除（需要重新申請(qǐng)成為 Masternode）：

（1）在 LLMQ DKG 過(guò)程中如果沒(méi)有參與，將增加 66% 的分?jǐn)?shù)（說(shuō)明在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)兩次不參加 DKG 則會(huì)被視為無(wú)法提供服務(wù)）

（2）Dash 主鏈每增加一個(gè)區(qū)塊，每個(gè) Masternode 的分?jǐn)?shù)都會(huì)減少 1

通過(guò) PoSe 證明提供了相應(yīng)服務(wù)的 Masternode 將得到獎(jiǎng)勵(lì)，而無(wú)法提供服務(wù)的 Masternode 將會(huì)被移除。

經(jīng)濟(jì)模型

Dash 的原生代幣為 DASH：

· 全部通過(guò)挖礦產(chǎn)生（團(tuán)隊(duì)有預(yù)挖，主網(wǎng)上線前 2 天，總計(jì)約 190 萬(wàn) DASH 被挖出，約占總供應(yīng)量的 10% 以上，備受爭(zhēng)議［17］）

· Dash 的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)算法經(jīng)幾次更改，截止到 2019 年 6 月，區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)為 3.11 DASH（另有 10% 作為團(tuán)隊(duì)預(yù)留），獎(jiǎng)勵(lì)每隔 210240 個(gè)區(qū)塊（約382天）減少 7.14%

· 區(qū)塊間隔約為 2.5 分鐘

· 最大供應(yīng)量約為 18，921，005 DASH

· 每個(gè)區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)的分配如下：

· 成功創(chuàng)建區(qū)塊的礦工獲得 45%

· 參與 PoSe 的 Masternode 獲得 45%（每個(gè)區(qū)塊只有一個(gè) Masternode 參與）

· 10% 獎(jiǎng)勵(lì)作為預(yù)留基金（按月發(fā)放）

經(jīng)濟(jì)激勵(lì)

礦工（生產(chǎn)者）

· 和普通 PoW 礦工一致，購(gòu)買(mǎi)礦機(jī)、算力，打包區(qū)塊，獲取區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)

· 礦工創(chuàng)建的區(qū)塊要經(jīng)過(guò) Masternode 的認(rèn)證，故較難發(fā)起攻擊

· Masternode 可以鎖定區(qū)塊，無(wú)法分叉，故礦工一般無(wú)法發(fā)動(dòng) 51% 攻擊

· 為支付運(yùn)營(yíng)成本，礦工傾向于賣(mài)出挖礦所得，提供流動(dòng)性

Masternode（生產(chǎn)者&消費(fèi)者）：

· 鎖定 1000 DASH 并參與 PoSe，保持在線，獲取區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)

· 有一定運(yùn)營(yíng)服務(wù)費(fèi)的成本，有可能賣(mài)出獎(jiǎng)勵(lì)，但質(zhì)押的 1000 DASH 一般不會(huì)輕易使用，相當(dāng)于鎖倉(cāng)

· 參與 InstantSend，PrivateSend 等服務(wù)，獲取對(duì)應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)

· 參與治理，本身沒(méi)有獎(jiǎng)勵(lì)，但不參與會(huì)被懲罰（從 Masternode 列表中移除）

開(kāi)發(fā)者（消費(fèi)者）

· 預(yù)挖了部分 DASH，維護(hù)項(xiàng)目，有上漲預(yù)期

· 預(yù)留的 10% 挖礦獎(jiǎng)勵(lì)大概率由開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)獲得

普通用戶（消費(fèi)者）

· 收發(fā)普通交易，二級(jí)市場(chǎng)買(mǎi)賣(mài)

· 收發(fā)即時(shí)交易，隱私交易等，滿足特殊需求

· 可通過(guò)質(zhì)押 1000 DASH 成為 Masternode

PoW 礦工和 Masternode 共同保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性。同時(shí)，由于 Masternode 有較強(qiáng)的激勵(lì)，可以促使更多的節(jié)點(diǎn)提供 Masernode 的服務(wù)。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化激勵(lì)模型，未來(lái) Dash 的 Masternode 可能支持更多更復(fù)雜的服務(wù)。團(tuán)隊(duì)預(yù)留的 DASH 也為未來(lái)項(xiàng)目的長(zhǎng)期發(fā)展提供了保障。

小結(jié)

Dash 是最早引入 Masternode 概念的項(xiàng)目之一。時(shí)至今日類似的含 Masternode 項(xiàng)目已經(jīng)越來(lái)越多，詳見(jiàn)［11］。與純粹的 PoW 共識(shí)機(jī)制相比，Masternode 的引入在一定程度上制約了礦工濫用權(quán)力，提高了區(qū)塊鏈的最終確定性，降低了分叉和 51%攻擊 的可能性。另一方面，通過(guò)引入 PoSe， 可以激勵(lì) Masternode 提供除常規(guī)交易之外的服務(wù)，增加系統(tǒng)的多樣性。

這類混合共識(shí)的最大問(wèn)題在于 Masternode 的權(quán)利往往過(guò)大，比如 DASH 大戶可以同時(shí)擁有多個(gè) Masternode。當(dāng)大部分 Masternode 被小部分人掌握，網(wǎng)絡(luò)會(huì)趨向中心化。另外，受制于 PoW，其 TPS 仍然是較大瓶頸。

3. Komodo： PoW + dPoW

共識(shí)算法

Komodo 在普通 PoW 的基礎(chǔ)上，增加了一種名為延遲 PoW （delayed Proof of Work，dPoW） 的安全機(jī)制，試圖利用比特幣等較安全的 PoW 項(xiàng)目的算力來(lái)保證 Komodo 以及相關(guān)資產(chǎn)的安全性。dPoW 可以作為任何基于 UTXO 的鏈的二層共識(shí)。

Komodo 系統(tǒng)的參與者包括：

· 礦工：進(jìn)行普通的 PoW 挖礦

· 公證人（Notary）節(jié)點(diǎn)：運(yùn)行多個(gè)鏈的全節(jié)點(diǎn)（包括比特幣全節(jié)點(diǎn)，Komodo全節(jié)點(diǎn)等），在比特幣網(wǎng)絡(luò)上對(duì)區(qū)塊進(jìn)行公證，同時(shí)也參與 Komodo 挖礦

· 普通用戶：KMD 幣的持有者，可參與 Staking（注意，這里并不是 PoS，而是類似鎖倉(cāng)激勵(lì)）

Komodo 中的礦工和普通 PoW 項(xiàng)目中礦工行為基本一致（挖礦算法為 EquiHash），不同之處在于 Komodo 的普通礦工僅有 25% 的幾率挖到區(qū)塊，其他區(qū)塊大部分由公證人節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建。

dPoW 安全機(jī)制

Komodo 系統(tǒng)中存在 64 個(gè)公證人節(jié)點(diǎn)，他們是 dPoW 安全機(jī)制的實(shí)際運(yùn)行者。其中：

· 4 個(gè)公證人節(jié)點(diǎn)為開(kāi)發(fā)者預(yù)留，永久有效

· 其余 60 個(gè) 由 KMD 幣的持有者投票產(chǎn)生：

（1）在每年提供公證服務(wù)排名前 30 的節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)當(dāng)選為下一期公證人節(jié)點(diǎn)（即完成最多 Komodo 到 Bitcoin 映射的

（2）其余 30 節(jié)點(diǎn)將重新投票產(chǎn)生

· 所有公證人節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)運(yùn)行比特幣全節(jié)點(diǎn)、Komodo 全節(jié)點(diǎn)，以及所有要保護(hù)的鏈的全節(jié)點(diǎn)（目前有40多個(gè)），因此對(duì)硬件配置要求較高

公證人節(jié)點(diǎn)的主要工作是完成 Komodo 鏈到 Bitcoin 鏈的公證（相當(dāng)于在 Bitcoin 上寫(xiě)入 Komodo 的檢查點(diǎn)），確保 Komomo 主鏈的安全性。也可以將其他資產(chǎn)的檢查點(diǎn)寫(xiě)到 Komodo 鏈上，過(guò)程和 Komodo 到 Bitcoin 的公證一致。

公證人節(jié)點(diǎn)的工作流程簡(jiǎn)要描述如下：

· 首先運(yùn)行所有全節(jié)點(diǎn)（包括比特幣，Komodo 等），并同步到最新區(qū)塊

· 用同一個(gè)私鑰在所有鏈上生成一組地址

· 和其他 63 個(gè)公證人節(jié)點(diǎn)保持連接和通信

· 開(kāi)始 dPoW 公證流程：

（1）根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，所有公證人節(jié)點(diǎn)可以提議需要公證的 Komodo 鏈上的某個(gè)區(qū)塊

（2）從 64 個(gè)公證人節(jié)點(diǎn)中選擇 13 個(gè)，所有公證人的地址將會(huì)按順序存在一個(gè)列表中，公證人程序按順序選取前 13 個(gè)可連接的公證人節(jié)點(diǎn)，若不可連接將被跳過(guò)，被選中后節(jié)點(diǎn)地址將會(huì)被移到列表末尾

（3）被選出的 13 個(gè)公證人各自簽名一筆有 13 個(gè)輸入的比特幣交易（如［13］），該交易的其中一個(gè)輸出為上述要公證的區(qū)塊的哈希值（通過(guò) OP_RETURN 實(shí)現(xiàn)）

（4）待比特幣網(wǎng)絡(luò)上交易確認(rèn)后，公證人節(jié)點(diǎn)會(huì)構(gòu)造一筆類似的 Komodo 交易，其中一個(gè)輸出為上述包含了公證區(qū)塊哈希的比特幣交易哈希（也通過(guò) OP_RETURN 實(shí)現(xiàn)）

（5）該交易被確認(rèn)后，Komodo 網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)都可以確定比特幣網(wǎng)絡(luò)上 Komodo 鏈的檢查點(diǎn)

（6）上述過(guò)程不斷重復(fù)（每10分鐘一次），同時(shí)也可以適用于其他用 dPoW 確保安全的鏈

通過(guò)上述 dPoW 和公證人節(jié)點(diǎn)機(jī)制，相當(dāng)于 Komodo 網(wǎng)絡(luò)在比特幣網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置了多個(gè)檢查點(diǎn)，在比特幣網(wǎng)絡(luò)上被公證的區(qū)塊將不可撤銷，因此幾乎不存在 51% 攻擊的可能。

Komodo 中的 Staking

Komodo 網(wǎng)絡(luò)中的 Staking 和共識(shí)無(wú)關(guān)，其更類似于鎖倉(cāng)激勵(lì)。KMD 的持有者通過(guò)鎖定代幣，將獲得一定的 KMD 獎(jiǎng)勵(lì)［14］。

經(jīng)濟(jì)模型

Komodo 的原生代幣為 KMD，總量為 2 億，按如下方式分配：

· 初始的 ICO 分配了 2000 萬(wàn) KMD

· 早期的 BTCD 幣持有者通過(guò)兌換獲得了 7000 萬(wàn) KMD

· 團(tuán)隊(duì)預(yù)留 1000 萬(wàn)作為運(yùn)營(yíng)成本

· 剩余 1億 KMD 中

（1）22% 左右用于獎(jiǎng)勵(lì)礦工，作為挖礦獎(jiǎng)勵(lì)，區(qū)塊間隔為 1 分鐘，每個(gè)區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)為 3 KMD

（2）78% 左右用于獎(jiǎng)勵(lì) Staking，Staking 的年化收益約為 5%

· 挖礦和 Staking 的獎(jiǎng)勵(lì)都是線性釋放，將在 2031 年左右達(dá)到總供應(yīng)量上限，之后不再有獎(jiǎng)勵(lì)。

特別地，對(duì)于 KMD PoW 挖礦，普通礦工只有 25% 的概率挖到區(qū)塊。而公證人節(jié)點(diǎn)由于提供了 dPoW 安全服務(wù)，將會(huì)以更低的難度挖到區(qū)塊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約 75% 的區(qū)塊被公證人節(jié)點(diǎn)挖到。挖礦獎(jiǎng)勵(lì)完全由挖到區(qū)塊的礦工或公正人節(jié)點(diǎn)獲得。

經(jīng)濟(jì)激勵(lì)

普通礦工（生產(chǎn)者）

· 和普通 PoW 項(xiàng)目礦工一致，購(gòu)買(mǎi)礦機(jī)、算力，打包區(qū)塊，獲取區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)

· 由于公證人節(jié)點(diǎn)的存在，普通礦工一般無(wú)法發(fā)動(dòng) 51% 攻擊

· 為支付運(yùn)營(yíng)成本，普通礦工傾向于賣(mài)出挖礦所得

公證人節(jié)點(diǎn)（生產(chǎn)者）

· 為 Komodo 鏈提供區(qū)塊公證服務(wù)，從而可以以較低的難度挖到區(qū)塊，獲得區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)

· 提供好的服務(wù)才能連任公證人，激勵(lì)其按照 dPoW 規(guī)則完成區(qū)塊公證

· 公證人本身不需要質(zhì)押任何 KMD，且服務(wù)器配置要求高，為支付運(yùn)營(yíng)成本，公證人節(jié)點(diǎn)也傾向于賣(mài)出挖礦所得

KMD 持有者（消費(fèi)者）

· 通過(guò)鎖定 KMD 可以獲取 Staking 獎(jiǎng)勵(lì)，相當(dāng)于鎖倉(cāng)

· 收發(fā)普通交易，二級(jí)市場(chǎng)買(mǎi)賣(mài)等

· 還可以對(duì)公證人節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選舉

小結(jié)

Komodo 利用 dPoW 安全機(jī)制在比特幣區(qū)塊鏈上設(shè)置多個(gè) Komodo 的檢查點(diǎn)，從而提高了 Komodo 網(wǎng)絡(luò)的安全性。該機(jī)制也可以應(yīng)用到其他鏈上。Komodo 本質(zhì)上還是 PoW + Masternode（PoSe） 的模式，雖然團(tuán)隊(duì)否認(rèn)公證人節(jié)點(diǎn)是 Masternode，但實(shí)際上公證人節(jié)點(diǎn)確實(shí)通過(guò)提供額外的服務(wù)獲得收益，且具有較大概率成為區(qū)塊的創(chuàng)建者，在一定程度上控制了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。Komodo 的 Staking 機(jī)制實(shí)際上是一種鎖倉(cāng)獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，和共識(shí)無(wú)關(guān)。

4. Algorand： PoS + 改進(jìn)的 BFT

共識(shí)算法

Algorand 的共識(shí)算法通過(guò) PoS 和 可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)（VRF）選擇區(qū)塊的生產(chǎn)者和驗(yàn)證者，再通過(guò)一種改進(jìn)的拜占庭協(xié)議 BA* 對(duì)區(qū)塊達(dá)成共識(shí)。

Algorand 中實(shí)際只有一種參與者，即 ALGO （ALgorand 原生代幣）的持有者，但在不同階段，持有者會(huì)扮演不同的角色：

· 持有者有可能在某一輪共識(shí)中被選為區(qū)塊生產(chǎn)者（leader）

· 持有者有可能在某一輪共識(shí)中被選為區(qū)塊驗(yàn)證者

· 未被選中的持有者

Algorand 的共識(shí)算法可簡(jiǎn)要描述如下：

· 每一輪共識(shí)開(kāi)始時(shí)，所有用戶可以通過(guò) VRF 確定自己是否是潛在的區(qū)塊生產(chǎn)者（leaders），具體方法是檢查本輪自己某種簽名的哈希值是否小于某個(gè)閾值。持幣較多的節(jié)點(diǎn)被選中的概率較高（PoS）

· 潛在的生產(chǎn)者（可能有多個(gè)）各自創(chuàng)建新區(qū)塊，并進(jìn)行廣播，同時(shí)公布簽名，任何節(jié)點(diǎn)都可以驗(yàn)證其合法性（這是 VRF 的特性）

· 用同樣的方式從系統(tǒng)中隨機(jī)選取驗(yàn)證組，對(duì)新產(chǎn)生的區(qū)塊達(dá)成共識(shí)，每一輪共識(shí)分為兩個(gè)階段：

（1）驗(yàn)證組通過(guò)分級(jí)共識(shí)協(xié)議（GC），每個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)從多個(gè)候選區(qū)塊中選擇一個(gè)被大多數(shù)節(jié)點(diǎn)認(rèn)可的區(qū)塊（若不存在，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)會(huì)提議生成空區(qū)塊）

（2）驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己選擇的區(qū)塊和 GC 共識(shí)的結(jié)果設(shè)定自己的初始狀態(tài)，繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)的二元拜占庭共識(shí)（BBA*），直到達(dá)成共識(shí)（有可能需要多次循環(huán)才能達(dá)成共識(shí)），共識(shí)結(jié)果有兩種：

a.接受 leader 創(chuàng)建的新區(qū)塊，進(jìn)入下一輪

b.不接受 leader 創(chuàng)建的新區(qū)塊，將新區(qū)塊設(shè)置為空區(qū)塊，進(jìn)入下一輪

最終，每一輪都將通過(guò)共識(shí)產(chǎn)生一個(gè)新區(qū)塊。關(guān)于協(xié)議的更多細(xì)節(jié)可以參考［5］［16］，以及《Qtum研究院：深度解析Algorand共識(shí)協(xié)議》。

經(jīng)濟(jì)模型

Algorand 的原生代幣為 ALGO，總量為 100 億。所有 ALGO 在創(chuàng)始?jí)K中直接生成，由 Algorand 基金會(huì)負(fù)責(zé)后續(xù)的分配。和大多數(shù)其他公鏈項(xiàng)目不同的是，在 Algorand 中，創(chuàng)建區(qū)塊或驗(yàn)證區(qū)塊都不會(huì)獲得任何獎(jiǎng)勵(lì)。

100 億 ALGO 將在五年內(nèi)通過(guò)如下方式分配［18］：

· Algorand 基金會(huì)預(yù)留 25 億 ALGO，用作支持項(xiàng)目長(zhǎng)期運(yùn)作（這一部分由基金會(huì)在創(chuàng)始?jí)K直接獲得，而且沒(méi)有鎖定。Algorand 基金會(huì)承諾不隨意動(dòng)用這筆資金［19］）

· 通過(guò)拍賣(mài)的方式逐步分發(fā) 30 億 ALGO

· 17.5 億 ALGO 作為 Staking 的獎(jiǎng)勵(lì)，逐步發(fā)放

· 25 億作為中繼結(jié)點(diǎn)的獎(jiǎng)勵(lì)逐步發(fā)放

· 2.5 億作為社區(qū)獎(jiǎng)勵(lì)逐步發(fā)放（用于舉辦各種活動(dòng)，黑客松等）

經(jīng)濟(jì)激勵(lì)

Algorand 基金會(huì)通過(guò)分配 ALGO 對(duì)系統(tǒng)中各參與者進(jìn)行激勵(lì)，其中：

· 用于拍賣(mài)的 ALGO 相當(dāng)于 ICO，對(duì) ALGO 進(jìn)行公開(kāi)售賣(mài)。拍賣(mài)采用較為新穎的”荷蘭式拍賣(mài)“［20］，在業(yè)內(nèi)引起了極大的關(guān)注。并且基金會(huì)承諾在 1 年后可以以成交價(jià)的 90% 對(duì) ALGO 進(jìn)行回購(gòu)，在一定程度上保障了投資者的權(quán)益

· 任何持有超過(guò) 1 ALGO 的賬戶都將獲得 Staking 獎(jiǎng)勵(lì)，獎(jiǎng)勵(lì)會(huì)在每個(gè)區(qū)塊進(jìn)行發(fā)放，目前的年化收益約為 10%。Algorand 每筆交易都會(huì)有少量手續(xù)費(fèi)，這些手續(xù)費(fèi)不會(huì)直接發(fā)放給用戶，而是被 Algorand 基金會(huì)回收，當(dāng)所有 Staking 獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)完時(shí)，這些手續(xù)費(fèi)也將被統(tǒng)一作為 Staking 獎(jiǎng)勵(lì)

· 在 Algorand 系統(tǒng)中，能夠?yàn)槠渌?jié)點(diǎn)提供鏈接服務(wù)的節(jié)點(diǎn)被稱為中繼節(jié)點(diǎn)［21］，中繼節(jié)點(diǎn)將在提供服務(wù)期間獲得獎(jiǎng)勵(lì)，5 年累計(jì)獎(jiǎng)勵(lì)總計(jì) 25 億 ALGO。這一激勵(lì)將促使更多穩(wěn)定的中繼節(jié)點(diǎn)為 Algorand 網(wǎng)絡(luò)提供連接、轉(zhuǎn)發(fā)交易等服務(wù)

· 社區(qū)獎(jiǎng)勵(lì)將激勵(lì)對(duì)項(xiàng)目有長(zhǎng)遠(yuǎn)價(jià)值的活動(dòng)

從上述經(jīng)濟(jì)模型可以看出，Algorand 基金會(huì)在整個(gè)經(jīng)濟(jì)模型中占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)地位，所有 ALGO 都由基金會(huì)進(jìn)行分配，從經(jīng)濟(jì)模型的角度看非常中心化。無(wú)論是回購(gòu)、Staking 獎(jiǎng)勵(lì)的總額、中繼節(jié)點(diǎn)獎(jiǎng)勵(lì)，還是社區(qū)獎(jiǎng)勵(lì)，都由 Algorand 基金會(huì)決定，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

小結(jié)

Algorand 采用了共識(shí)和激勵(lì)分離的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。共識(shí)方面，Algorand 提出了一種新穎的 PoS + BA* 共識(shí)機(jī)制，在可擴(kuò)展性、安全性和去中心化這三個(gè)方面取得了較好的均衡。但經(jīng)濟(jì)模型設(shè)計(jì)偏中心化，Algorand 基金會(huì)權(quán)利過(guò)大，整個(gè)經(jīng)濟(jì)模型能否長(zhǎng)期正常運(yùn)行還有待驗(yàn)證。

總結(jié)

混合共識(shí)機(jī)制的主要目的是通過(guò)融合其他共識(shí)機(jī)制，克服已有共識(shí)的某些缺點(diǎn)。BFT，pBFT 等經(jīng)典的共識(shí)機(jī)制速度快，且?guī)缀醪粫?huì)分叉，Algorand等項(xiàng)目將其與 PoS結(jié)合，通過(guò)一定的設(shè)計(jì)使其在 Permissionless 環(huán)境下部署，實(shí)現(xiàn)了兩者的結(jié)合。另一方面，PoW，PoS 等中本聰共識(shí)機(jī)制的融合，使更多參與者加入博弈，進(jìn)一步提升共識(shí)的安全性，同時(shí)可以提供更多多元化的服務(wù)（Masternode），在設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)可以考慮采用。本文僅對(duì)一些代表性項(xiàng)目進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，更多混合共識(shí)算法及其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)可以查閱相關(guān)文獻(xiàn)。