超重磅公链dfinity5月7日主网正式上线,一文了解其共识过程!

在区块链的发展历程中，BTC开创了去中心化货币时代、ETH代表了操作系统领域、Filecoin代表了存储、Dfinity则代表了计算领域。价值、货币、存储、网络、计算、操作系统等等，去中心化思想和区块链技术的不断演进，一个更加公平、公开、平权、不依赖传统中心化机构、由纯技术逻辑建立“绝对信任”的互联网基础设施即将展现在人们面前。

区块链这个价值网络对人类生产关系、乃至组织方式将带来前所未有的变革，随着DFinity主网即将上线，我们更加期待这个崭新世界的加速到来。

从2017年起DFinity就一直坚持PoS+随机数+WASM虚拟机的技术方向，共识方面的设计是它最大的技术亮点，技术白皮书以分层的结构介绍了一致性共识的达成，文中将按步骤分解，简单帮助大家讲解共识。并简述技术特点，与其他项目做比较，揭示这样优缺点带来的影响。

共识过程

DFINITY的共识是按照轮为单位进行的，每一轮产出本轮的一个区块，一轮的时间为区块时间，轮次等于区块高度。

1. 开始前的节点准备（按顺序）

· 节点创建私钥公钥，建立匿名的永久身份。

· 节点加入网络需要抵押固定的token作为staking。

· 节点随机的与其他节点组成阀值组（完全随机，一个节点可存在于多个阀值组）

· 阀值组中，运行分布式密钥协议（DKG），每个节点获取该组的“验证签名”密钥（不同于个人密钥，有一组的私钥数学拆分而来）。

· 系统还是根据DKG产生阀值组的共同公钥，并对阀值组进行注册。

· 准备就绪，开始等待参与共识。

2. 第R轮共识

step1 选择本轮委员会组

· 系统根据R-1轮次生成的随机数ξR，在已有的阀值组中随机的选择R轮的委员会。

step2 提案委员会打包出块

· 选出的委员会分成两部分，提案组与验证组，提案组先收集用户发送的交易，检验合法后进行打包，出块与常见区块链项目一致。

step3 公证委员会持续接收并验证区块

· 接受区块：持续的接受提案组产出的区块，直到观测到下一个随机数ξR+1的产生。

· 检验合法：接受区块后首先检验是由合法有效（有无引用R-1区块的公证），不合法就丢弃。

· 计算优先级：运行“概率插槽协议”，计算连续两个区块的权重，这是根据由随机数得出的区块权重得出的。

· 签名并广播：如果上一步中区块权重高于上一个接收到的，签名并广播；否则就丢弃区块。

step4 随机数信标收集签名

· 随机数信标持续的收集公证者广播的签名部分，并记录数目。

等待阀值，产出公证与随机数

· 一但对单个区块，接受了超过50%公证者的签名，马上聚合签名，产出公证Zr（本质是时间戳）并写入区块广播。

· 同时产生根据这些签名产生随机数ξR+1，广播。

R+1 step0 同步正确区块，R+1轮开始，回到strp1

· 此时广播传播全网，R轮委员会全部停止工作，节点开始同步被公证的区块。

· 根据随机数ξR+1选择R+1轮的委员会组。

共识特点

DFINITY是一个试图“扩展当前互联网”的区块链项目，是由所有参与网络的P2P客户端（DFINITY中称节点node为客户端client）共同维护并提供资源的“世界超级计算机“，这台计算机上“安装”的如软件具备了区块链上智能合约的不可篡改与可信的属性，但同时必须能够承载大规模服务，并能够完全托管软件。

不同于以太坊的DApp只是适时调用合约，DFINITY设想的软件是完全依靠智能合约来驱动服务的。综上来讲，DFINITY需要非常高的计算性能、减少计算冗余，因此DFINITY但同时还得在保证去中心化的情况下做到足够安全，因此这对它的共识算法提出了苛刻的要求。

1. 从“完美的随机数”出发

DFINIFTY共识最重要的组成部分即为随机数信标部分，需要做的事情有：

· 选择共识参与组：在DFINIFTY这个无准入（不需要申请即可加入，反例是EOS）的网络中，参与网络的节点数以万计，且分布在世界各地，因此所有节点共同达成一致性的效率就非常之低，系统得选择一小部分成员来参加共识来保证速度。但是为了保证去中心化，成员必须随机选择。去中心化与性能的基础基于随机数。

· 决定区块的权重：用于判断最终确定链，快速的获得最终确认时间，剪除分叉。

· 给链上应用提供随机源：智能合约上很多DApp都是自己写的随机数方案，非常不成熟，经常会有应用因为不安全的随机数而被黑客攻击的新闻出现，这里直接从底层提供了稳定随机数。

VRF涉及很多数学演算，我们可以将其视为一个黑箱子，一段是输入，一段是输出。输入是一组客户端的签名，输出是一个准确的随机数。只有在获取了足够多的客户端签名，黑箱子才能输出随机数，在此之前，没有任何一个客户端能知道或预测它的输出。“足够多”签名的阀值为50%，因此这个VRF的过程也叫做“阀值签名”。

这个VRF很特殊，因为它具备三个特点：

· 可验证：一但输出了随机数，大家都可以拿着客户端的签名对其进行验证。VRF的”V”就体现在这里。

· 唯一确定性：一但有超过50%的客户端发送了签名，黑箱子接受到后会获得唯一的一个确定的随机数。这里是因为使用的私钥签名算法具有唯一性，也就是统一密钥对统一数据的多次签名的结果都不相同，只有一个可以合法的验证。

· 非交互：在产生随机数的过程中，虽然黑箱子需要收集大家的签名，但是客户端之间不需要进行交流，更没法干扰到随机数的从产生。

在已知的密码学算法里，只有BLS算法能做到以上三点，而BLS算法的提出者之一“L” Lynn正是DFINITY的高级工程师。其他的随机数方案，要么验证起来难度极高（连续哈希），要么无法保证唯一性，要么就是没有阀值的设计，必须进行交互，存在“最后一个参与者”就能间接影响随机数偏差的情况（以太坊的RANDAO与VDF）。

当然这个VRF还是一点问题，选取的一组共识者中如果有超过50%被攻击者掌握，那么他可以间接地干扰到随机数的生成，当然来预测随机数还是基本不可能的，没法直接控制。攻击者还可以不发送签名，让随机数生成过程停止，从而让整个系统宕机。当然这都是攻击者掌握了超过50%节点的情况下，这在staking里难度很大的，真做到了也没有那个共识算法顶得住。

2. 非交互式

使用随机数在全网中筛选节点组成共识组，来参与共识的项目不少，包括固定选择的DPOS、DBFT（NEO的共识），以及分轮次随机选取的，比如Algorand、Cardano，包括DFINITY，在选出了共识组后，组内成员都会出块，这时存在多个区块，需要获得唯一的共识。

因此其他的项目比如NEO、Algorand、Cardano都是运行完整的拜占庭容错协议，在组中达成一致的协议，对区块进行确认。但是这个只要运行拜占庭协议，就意味着你的共识组不能过大，最大只能100个节点左右，再多就会存在性能与带宽爆炸的问题。所以就会有21个组轮流出块的设计，这大大拉低了项目的去中心化程度。

但如果你把组做得很大，像algo那种2000多人的大组，这个共识组在运行拜占庭容错协议时，就需要经历数十次的数据交互，同时传送一个非常庞大的签名数据，这样对整个网络的带宽要求就非常之高，普通人很难参与进来。

说回DFINITY，首先由随机数公开地选出了400个客户端一组的出块组，来打包交易并出块。每一个客户端都会出块，还有一组同时随机数选出的验证者，他们会接受区块，同时运行一个根据随机数判断区块权重的协议，验证者只签名权重最高的节点，期间大家不会交互，不会进行拜占庭共识互相发送签名数据，主要是固定区块时间里不断寻找权重最高的区块即可。在一个区块接受到了超过50%个验证者的签名后（是单独签名的，不是一起联合签名的），系统会自动聚合区块上的签名，并确认区块为唯一，一但客户端观察到聚合的签名，就会进入下一轮共识。

可以看到，整个过程都没有进行拜占庭协议，只是遵序三个原则：

· 客户端遵序最高权限的原则对区块签名，权重越高的链越会被确认

· 系统遵循50%以上签名产出随机数信标的原则

· 大家遵序一看到新的随机数信标马上进入下一轮共识的原则

三个原则就像三把锋利的奥卡姆剃刀，剔除了多余的无效区块，获得了唯一的区块，从而近似的达成了一致性共识（说近似是因为可能有同时存在两个被公证区块）。整个通讯过程几乎为零，在广播gossip协议的网络中，一个有400个节点的组网，只需转发大约20KB的通信数据，即可产生阈值签名。而一个小组的分布式签名密钥的生成，是在小组创建时就分配好的，不需要在共识阶段产生，一次生成多次使用。

我们可以来类比一下非常相似但由两轮拜占庭共识交互的Algorand。Algo的随机数抽签过程是隐秘式的，也就是说节点只知道自己被选择与否，它却不知道全网中有多少节点被选中。因此Alogo共识前必须遍历一遍全部网络，进行一次拜占庭才能知道全部的被选取的验证组，因此这里的延迟时间与带宽使用就很高了。再加上前面讲的超大验证组（2000人到4000人）的拜占庭通讯轮次与签名数据的问题，Algo共识下带宽使用非常爆炸，这种人是没这个能力参与的。

3. 超快的最终确认

脱离最终确认时间谈TPS的都是耍流氓，有个笑话，拿卡车运装满数据的硬盘，你算算这个TPS也非常大了，可是没有最终确认与相应，显然是不能用的。不说比特币与以太坊，我们可以看到大量的新公链，特别是做多链分片的项目，就存在最终确认的严重滞后问题。

PoW与传统PoS，只能近似的获得一个最终确定性，也就是回滚概率趋近于0的时候，这就导致大额交易需要等待多个区块确认。并且因为没有一个准信，每一个节点都得存储全部的副本，防止分叉的回滚。这就导致整个账本体积大的吓人，普通人基本告别全节点，随着区块的增长，以太坊的全节点数量就下降得非常快，如此下去，系统又得回到中心化脆弱的状态下了。

可以从上面了解到，DFINITY的共识是按轮次进行的，每一轮共识的开始与结束的标志，都是观察到随机数信标产生新的随机数，而这个随机数是系统聚合签名产生公证的同时更新的。因此这DFINITY的区块高度必须与轮次一致，每一轮中生产的区块，必须是引用了上一轮的公证签名，不然视为非法。同时公正组只会签名本轮产生的区块，不会对之前轮次的区块签名。

总结为两个强制：

· 只有本轮发布的区块才能被公证；

· 只有引用上一轮被公证的本轮区块才是合法的；

这保证了出块与公证两个过程，都没法被恶意扣留，因此攻击者没办法偷偷来准备一条比主链更长的影子链，来做双花攻击，因为从影子链的第一个区块起就不合法了。

因为存在上述“验证者组单独签名，系统聚合签名产生公证”的公证过程，因此每一轮后基本可以做出唯一性的确认。但也有会出现两个或以上区块同时通过公证的情况，因此一轮结束后还不能做到最终确认，这时就需要在下一轮中继续判断。此时等待出块过程完成，因为出块者可能选择在上一轮同时被公证的区块后面继续生产，所以同时存在几条分叉。

还记得上面讲的“概率插槽协议”（PSP）阶段吗？验证者会计算权重来判断唯一区块，没错，这里验证者还是会对着区块计算这条链上的总权重，这是权重高的一条链就作为唯一确认链，然后验证者才会对他进行签名。因此当本轮出现了新随机数时，也就意味着分叉已经被剪除，而上一轮的区块，包括其中的交易，都获得了最终的确认。

最终确认时间=两个出块间隔+网络遍历传输延迟

因此一个交易可以在几秒钟里完成最终确认，再也没法对其进行回滚。可以对比一下以太坊2.0，它用的是每隔100个区块创建一个检查点来做最终确认的方案，最终确认时长大约为10分钟左右。

快速确认不仅提高了性能，剪除了分叉，降低了系统的冗余度，并且可以让客户端不用存储全部要历史区块数据，任何一个新加入的区块，只要从最近的确认区块开始即可。

4. 几乎无限的弹性扩展性能

这同样是优秀的随机数给DFINITY带来的好处。DFINITY的网络可以近乎无限的扩展，因为整个随机数的产出，包括出块与公证，都是由固定数目的委员会组来执行的，客户端新节点的加入不会影响到运行的速度。而每一个客户端，都需要一定性能的计算与存储性能，这为整个“世界计算机”提供了近乎无限的资源。

可以看到从共识设计上，DFINITY就采用了最先进的理念：PoS提速并解决计算冗余、随机数信标保证去中心化、staking保证安全性、周期性最终确认保证轻量。从而构建了一个近乎完美的可无限扩展的区块链，随着主网上线的临近，DFINITY必将成为新一代可应用的天王级别区块链。

星际空间从19年就持续跟进DFINITY互联网计算机的技术研究和应用开发，目前已经搭建数据中心服务方案。欢迎大家持续关注《星际空间》，我们将持续给大家带来区块链和加密货币领域的内容和信息。

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编译者/作者：星际空间IPFS

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