极客时间已完结课程限时免费阅读

第14讲 | 深入区块链技术（六）：DPoS共识机制

第14讲 | 深入区块链技术（六）：DPoS共识机制-极客时间

第14讲 | 深入区块链技术（六）：DPoS共识机制

2018-04-25 陈浩 来自北京
《深入浅出区块链》
课程介绍

讲述：黄洲君

时长15:59大小7.32M

上一篇文章里，我们讲解了 PoS 共识机制，这一篇我们来分享 PoS 的一个扩展机制，这个机制在业界也非常的流行，它叫做 DPoS 共识机制。DPoS 全称是 Delegated Proof of Stake，中文翻译过来是代理权益证明。

从 BM 开始聊起的故事

我们聊 DPoS 时，为什么要从 BM 聊起呢，
其实，这和聊比特币绕不开中本聪一样，DPoS 是 BM 一手创造的。DPoS 不是独立提出的共识算法，而是直接被 BM 应用到比特股项目中，在稳定运行了 3 年多后，又接着被 BM 构造成可复用的区块链工具箱：石墨烯。
虽然应用得很早，但 DPoS 算法直到 2017 年才被 BM 单独拎出来作了一篇“DPoS 技术白皮书”，这期间伴随着比特股、Steemit、EOS 三个项目的依次发布。
那么到底 BM 是谁，市场上对这个人的评价为什么富有争议呢？或许我们从了解 BM 开始，才能体会到 DPoS 的精髓。
我们在前面的文章中曾简单提过 BM，BM 的本名是 Daniel Larimer，由于他的 GitHub 昵称是 ByteMaster，所以才被称作 BM。BM 是比特股、Steemit、EOS 项目的创始人，截止发稿时，这三个产品的市值均在区块链项目的 Top33 以内。
与年少成名 V 神的辍学经历不同，BM 2003 年毕业于弗吉尼亚理工学院，获得计算机学士学位，算是正经的科班出身。
BM 曾直言不讳地说到：“我的人生目标就是找到自由市场的方案来保护生命、自由和财产”。他认为要达成这个目标，就必须要从货币开始。
我们在数字货币一节提到过，无论是贵金属还是信用货币，都是历史的必然，所以在选择使用什么货币上，BM 认为不一定是美元，他希望的是：构造一种自由安全的数字货币。
2009 年，他怀揣梦想开始了数字货币的事业，他先发现了比特币，于是不遗余力地推广着这个项目。
然而在 2010 年，BM 指出中本聪 10 分钟一次的交易确认时间太长了，这样的话，性能会是一个瓶颈，然而这样的想法却遭到了中本聪的暴击：看不懂就算了，我没时间搭理你。
于是，BM 觉得比特币不是希望，便着手开发第一个项目——比特股，同时创造出 DPoS，把自己的高性能共识算法想法形成了实践。
在这里，我们可以看出 DPoS 与其他共识机制的第一个区别，就是交易确认时间短。
2014 年，当 V 神还在到处奔走，开始发起以太坊项目的众筹时，当很多项目还是基于比特币的微创新时，比特股就已经横空出世了。
所以比特股一跃成为了当时的明星项目，它的口号是“Beyond Bitcoin”，在这里我们可以感受到极强的攻击性和目的性，也正因为如此，日益强大的比特币社区被树在了它的对立面。
比特股一共有 2 个版本，比特股在 1.0 版本之前，某些版本甚至都没有提供向下兼容。虽然后来正式发布了 1.0 版本，似乎并没有改善多少。糟糕的使用体验，庞大的系统资源开销，还是让尝鲜的用户逐渐流失了。
这时候 BM 利用了自己手里超过 1/3 的记账节点，在没有达成社区共识的情况下，强行增发了比特股总量。这一招几乎就是比特股项目的灭顶之灾，社区人就此纷纷退出。
虽然社区萎靡，BM 还是继续了开发工作，将比特股升级到了 2.0，它的易用性和稳定性勉强可以满足正常使用。随着比特股 2.0 的发布，BM 也同时发布了石墨烯工具箱。
尽管在技术上提供了改进，但比特股社区最终选择让 BM 离开比特股项目，比特股回到了另一位币圈大佬——巨蟹的手里。随后比特股的发展陷入了长期的低迷，长期在 2 分，最多到 2 角钱左右，直到去年的牛市，比特股涨到过 2 元人民币。
虽然最终离开了比特股，但是 BM 依然会参与 BTS 紧急 Bug 修复工作。与此同时，BM 又开发了一款旨在颠覆传统互联网媒体行业的项目——Steemit，这也是开辟了基于区块链 Token 内容社区的先例。Steemit 也是基于石墨烯技术的，它非常流行。
2017 年，随着 Steemit 的成熟，BM 宣布退出了 Steemit，开展了下一个项目 EOS。EOS 的目的是要做出区块链行业的操作系统，为开发者提供底层功能，包括并行运算、数据库、账户系统等等。
EOS 一经发布，就广受关注，短短五天内，EOS 便筹集到了数亿美金，它的代币销售规模在目前为止是最大的。
现阶段的 EOS 超级节点竞选也体现出了 BM 强大的影响力。 EOS 项目影响力也越来越大，BM 因为与 V 神在区块链上的理念不合，也经常互怼，他们争论的重点是二人对于去中心化的前提假设不同，这也造就了两个不同的设计逻辑，所以，两人的争论过程可以说是非常地吸引眼球了。
我们从 BM 的个人经历、项目经验、影响力都可以看出 BM 是一个很懂金融的天才式程序员，同时也是一个有点刚愎自用导致与社区矛盾不断的意见领袖。

DPoS 详解

讲完了 BM 的故事，我们再来讲讲 DPoS。我们在前文粗略地讲过 DPoS 算法，我们先来回顾一下。
简单来理解，DPoS 共识算法就是将 PoS 共识算法中的记账者转换为指定节点数组成的小圈子，而不是所有人都可以参与记账，这个圈子可能是 21 个节点，也有可能是 101 个节点，这一点取决于设计，只有这个圈子中的节点才能获得记账权。这将极大地提高系统的吞吐量，因为更少的节点也就意味着网络和节点的可控。

1.DPoS 共识的目标

从名称上，我们也可以判断出 DPoS 与 PoS 共识是直接关联的。DPoS 算法是 BM 根据当时 PoW、PoS 的不足而改进的共识算法，它的目的就是为了提高性能，也就是交易确认时间短。
在 PoS 共识中，人们使用财产证明来“挖矿”，也就是说，这是任何人都可以参与的，只要你持有币，你就可以参与挖矿。
但是我们可以看出，PoS 并没有解决性能问题，在这里我们直接认为提高性能就是提高 TPS，我们可以构造一个等式，：
TPS = transactions / block_time
TPS 表示区块链每秒能确认的交易数， transactions 是由区块大小 block_size 和平均每笔交易大小决定的，而区块大小受全网网络状态 network_bandwidth 限制，也是由记账节点之间物理带宽 witness_performance 决定的。
记账节点的个数 witness_count 直接决定了物理带宽的上限，因为记账节点数量越多，则对物理带宽要求越高，对网络的稳定性要求也越高。
要注意的一点是在 DPoS 中，记账节点不叫做矿工，而是改称为见证人，Witness。
所以这个公式变成了下面的样子。
TPS = (block_size * network_bandwidth * witness_performance) / (block_time * witness_count)
我们可以看到，要提高 TPS，可以提升分子项，降低分母项，也就是增大区块大小 block_size、提升记账节点网络带宽 network_bandwidth、提升记账节点处理性能 witness_performance，减小区块时间 block_time、减小记账节点数量 witness_count。
分子项我们可以看到，它基本受限于物理资源的上限，目前工业水平制造的物理资源的使用上限基本就是整个项的上限了，所以可操作性不大。
而分母项是由共识算法决定的，所以我们从区块时间，以及记账节点数入手，DPoS 算法便正是从这两项着手的。
首先改动的便是限制记账节点的数量，也就是见证人的数量。
我们在 PoW 和 PoS 中可以看到，成为记账节点是无需门槛的，你可以随时参与挖矿，随时退出。
那这会带来什么问题呢，首先无法确定记账节点的数量，其次无法确定记账节点之间的网络环境，记账节点数越多网络环境越复杂，这些不确定性会增大网络分区的概率，从而导致区块链分叉。
如果我们事先规定好记账节点的数量，接着让全网所有节点可以投票决定哪些节点可以成为记账节点，这样就限制并减小了分母项 witness_count，这个过程我们也称作投票选举。
因为记账节点数量不多，那么我们可以在共识算法中可以规定出块时间为一个固定值，这个值可以很小，通过轮流出块的方式来进行记账。
以上思路基本就是 DPoS 的基本设计思路，BM 还为 DPoS 算法确立两个原则：
投票选举过程一定要保证最大权益所有者最终能控制全网，因为一旦出了问题，他们的损失最大；
与 PoW、PoS 一样，所有节点仅承认“最长”链。
这两个原则确立了 DPoS 共识的基本特性，第一条放大了 PoS 共识使用者就是记账者的优点，第二点则规定了分叉时系统应该表现的行为。

2.DPoS 共识算法分析

在 DPoS 共识算法中，区块链的正常运转依赖于见证人 (Delegates)，见证人是由全网节点投票产生的，见证人也是记账节点的实际控制人，相当于咱们选课代表，课代表帮我们整理作业。
见证人在完成打包交易的同时可以领取区块奖励和交易的手续费，并且可以执行社区投票的提案，所以 DPoS 共识算法不仅仅是算法，而是一个包含了协作治理关系的共识机制。
我们可以引用“DPoS 算法白皮书”中的内容，来看看 BM 设计 DPoS 算法是怎样的思路。
BM 认为所有区块链实际是建立交易之上的确定性状态机。共识是在确定交易顺序，过滤无效交易的一个达成一致意见的流程。
DPoS为了尽快确定交易顺序，过滤无效交易，所以规定了在正常情况下，所有记账节点轮流每 3 秒产生一个区块，轮到了某个记账节点出块时，必须在 3 秒内提交区块，否则就会错块。
假设一直没有记账节点错过自己顺序，那么他们生产的链条势必是最长的链条，如果记账节点在非指定时间生产区块被认为是无效的，每经过一轮，所有节点轮流出块的顺序就会发生重新洗牌。
下图就是一个理想的轮流记账状态。
（图来自白皮书）
DPoS 算法白皮书介绍了 7 种异常的情况会打破上面的正常情况。
例如少数记账节点发起恶意分叉或者发生故障，如下图。
（图来自白皮书）
在这种情形下，B 节点只能在 9 秒内生产 1 个块，而大多数分支，由于数量多一倍，将预期能在 9 秒内生产 2 个块，诚实的 2/3 的大多数可以比小的那一部分创建一个更长的链条，由于原则二，DPoS 可以抵御这种攻击。
在 DPoS 白皮书中介绍了少数记账节点恶意或故障造成的分叉、网络分区情况下重复出块、少数记账节点重复出块、记账节点数量不足、多数记账节点的联合腐败等各种情况。
由于篇幅有限，你如果感兴趣的话可以自行阅读。遗憾的是白皮书中的内容没有经过严格证明，以定性分析为主，所以我们无法确定 DPoS 算法是否有设计缺陷。
在实际应用中，比特股中见证人是 101 人，EOS 里是 21 人。比特股中见证人们赚取手续费，EOS 里见证人们分享 EOS 的通胀收益。他们都是通过公开选举选出来的，选票就是大家手里的比特股或 EOS。

3. 有关 DPoS 的一个争论：中心化问题。

我们之前文章中提过的 FLP 和 CAP 定理，如果为了提升性能，即一致性的效率，势必会牺牲其他两项。这也会引出有关 DPoS 的一个争论：中心化问题。
我们以比特股社区为例，每个人都可以尝试成为 101 个见证人节点中的一个，他们可以在社区里拉票，为社区做事，或者干脆用钱买很多 bts。平时大家象征性地开个会，因为是轮流记账，各个节点之间竞争不大。
但是不要忘记，区块链的发展非常依靠社区，这种方式势必会带来社区的中心化。虽然比特股中 101 个见证人负责记账，但总得有人指定发展方针，于是又设计出了 11 人理事会，这同样是通过选票选出来的。
11 人理事会有很高的权力，他们相当于 11 个超级节点，通过举手表决，甚至可以决定修改代码，而这 11 人理事会是比特股系统里的中心，也是规则的制定者。
这是 DPoS 算法的优势，也是 DPoS 算法的劣势。在 PoW 中，矿工、开发者、用户三权分立。
而 DPoS 似乎将这三权合并到了见证人和理事会手中。在 EOS 中，BM 还制定了区块链宪法，要求所有记账节点必须遵守，所以也有人抨击这是具备了 BM 特色的去中心化。
从某种角度来看，DPoS 是社区治理加上共识算法，不再是单纯的技术共识，这是与 PoW、PoS 算法最大的不同。
DPoS 的基本假设是相信节点是好的，所以尽可能快速选择记账节点，而把问题发生后的修复过程推迟到投票中，可以说 DPoS 并不考虑拜占庭容错问题，把拜占庭容错推给了社区治理，而在社区治理上可归纳为一切皆投票。
而现实生活中，很多情况下，投票并不能解决问题，比如投票人都是有惰性的，集齐所有人投票成本是很高的，如果记账节点没有上限，所有节点的投票都投给自己，DPoS 系统就会退化成 PoS 系统。

总结

我们来总结一下 DPoS 共识机制。
DPoS 共识机制本身将“矿池”纳入系统内部，并把它们统称为见证节点，虽然不会出现中心化挖矿的风险，但是 DPoS 由于节点数不多，并且见证节点权力较大，可以认为 DPoS 本身就是带中心化思路的共识机制。
最后留一个思考题给你，有关 DPoS 算法，你能想到有哪些攻击方式吗？欢迎给我留言，我们一起讨论。
感谢你的收听，我们下期再见。
链接：
https://mp.weixin.qq.com/s/r-bmH1tu-Gnn1eJ3GhI0nQ
http://me.tryblockchain.org/blockchain-dpos-bm-eos.html
分享给需要的人，Ta购买本课程，你将得18元
生成海报并分享

赞 4

提建议

© 版权归极客邦科技所有，未经许可不得传播售卖。 页面已增加防盗追踪，如有侵权极客邦将依法追究其法律责任。
上一篇
第13讲 | 深入区块链技术（五）：PoS共识机制
下一篇
第15讲 | 深入区块链技术（七）：哈希与加密算法
unpreview
 写留言

精选留言(17)

  • 朱显杰
    2018-04-27
    中本聪不理BM是有原因的，DPoS已经和区块链原教旨主义去中心化背道而驰，但谁规定区块链一定是去中心化的呢？如果区块链想要有实际落地的应用场景，完全去中心化不太现实，弱中心化是大趋势。

    作者回复: 去中心化只是一种手段，目的是提升资产流通效率，带来经济效益。

    10
  • 来碗绿豆汤
    2018-06-16
    数字货币的推出会对法币产生一定的冲击。如果哪天政府想操控数字货币，那么控制21个节点就可以了，很危险啊

    作者回复: 对的，21个节点是靶子。但实际上攻击的可能性也要看运气和社区反应。

    3
  • 王宁
    2018-05-26
    区块链的分叉与合并这个在哪一节有介绍？ 对这一块特别困惑: 1. 分叉中记录的交易是怎么被主链认可合并进去的呢？ 2.主链合并完之后理论上会出现交易时间戳较晚的账本在时间较早的前面？这个时候对一个人交易的遍历会产生什么样的影响？ 3.会不会出现账户状态不一致的情况。比如根据A链计算的结果一个用户有10个币，根据B链就是的有两个币，对于这种差额之间的交易有没有很好的办法去还原呢？ 问的比较浅，诸位见笑，确实蛮纠结这个。
    展开

    作者回复: 1. 被分叉以后，交易就会被丢弃，不会被合并。 3.不同区块链之间的账本是无法互认的哦。

    3
  • 徐威
    2018-04-26
    DPOS节点间的结盟就无法被解决啊

    作者回复: 这个是治理问题，dpos是双刃剑

    2
  • 沃野阡陌
    2018-04-25
    中本聪不搭理他一定有道理。谢谢老师的讲解，D P O S共识背后有无法解决的人性困境，投票是比较脆弱的机制，所有这些都需要哲学思考。
    2
  • ytl
    2018-04-26
    可能备选的节点恶意攻击主节点，以谋求上位。 形成21个主节点的联盟，称霸世界。 主节点集中在一个地区，有环境风险。

    作者回复: 21主节点的安全问题已经开始被人们所关注了。

    1
  • unite
    2018-04-26
    我想请问老师，如果5G技术得到普及，网络带宽极大提升，是不是就能有效解决记账节点过多时TPS有限的问题？

    作者回复: 这是个好问题，好比90年代开发电脑游戏需要抠内存一样，如果到处都是千兆独享带宽，那么简单粗暴提升tps是可以的。

    2
  • 文储-极客26
    2022-05-15
    拥有出块权的节点多久换一次呢，如果一个节点一直选举不上是不是就意味着他没有收益。
  • 金贵华
    2021-07-01
    个人认为，现在区块链数字货币的运行，要思考如何让人的生产价值与数字货币的获取进行挂钩，而不是通过所谓算力来获取数字货币，这种情况是不合理 。
  • Panda
    2021-04-28
    EOS 原来是 DPoS
  • A君
    2021-02-19
    Dpos通过投票的方式推出几个代理节点作为见证人来轮流挖矿，相比pos，它的出矿速度可以很快，根据cap理论，网络势必趋于中心化。dpos让权益最高的见证人挖矿并只使用最长链，尽可能规避了拜占庭错误（最大权益人也是最大损失人），但这些都是软件技术手段，不像pow有那么高的作弊门槛。
  • 杨家荣
    2020-01-16
    极客时间第二期 21天打卡行动 12/21 <<深入浅出区块链14>>DPoS共识机制 回答老师问题:有关 DPoS 算法，你能想到有哪些攻击方式吗? 同时展开分叉攻击; [来源:http://www.sohu.com/a/295383153_618509] 今日所学: 1,BM传奇; 2,DPoS 共识算法就是将 PoS 共识算法中的记账者转换为指定节点数组成的小圈子，而不是所有人都可以参与记账, 3,只有这个圈子中的节点才能获得记账权。这将极大地提高系统的吞吐量，因为更少的节点也就意味着网络和节点的可控。 4,TPS = transactions / block_timeTPS 表示区块链每秒能确认的交易数， transactions 是由区块大小 block_size 和平均每笔交易大小决定的，而区块大小受全网网络状态 network_bandwidth 限制，也是由记账节点之间物理带宽 witness_performance 决定的 5,DPoS 共识机制本身将“矿池”纳入系统内部，并把它们统称为见证节点，虽然不会出现中心化挖矿的风险，但是 DPoS 由于节点数不多，并且见证节点权力较大，可以认为 DPoS 本身就是带中心化思路的共识机制。
    展开
  • miniluo
    2019-12-19
    为什么说去中心化可以提升资产流通率？流通意味可以带来经济效益。前半句不解，期待回复，谢谢
  • 小老鼠
    2019-12-09
    POW，POS，dPOS，均在用吗？哪个用得最多？
  • blockchain_geek
    2018-06-21
    algorand的提出，对共识算法发展有了很大的改进，老师能对algorand谈一下吗
  • 张军营Jason
    2018-05-07
    21个超级节点通过什么方式判断交易有效？不太明白,还是说只有21个节点能发起交易打包

    作者回复: 这里的有效是指符合全网共识的交易，例如签名了区块链宪法。

  • 徐威
    2018-04-26
    陈老师觉得类似rsk这样的侧链发布智能合约，有哪些缺陷。相比以太坊、eos

    作者回复: 抱歉，还不太了解rsk侧链合约哎，可以分享一点资料吗？ 直观感受是去中心化的程度受限。