基于Algorand结合VRF的共识机制介绍

更新时间:2019-06-13

  相信大家对于PoS权益证明的概念都不陌生,但是究竟一个PoS的Protocol是如运作的?如何公平的选出下个区块的生产者?如何保证区块生产者不能bias下次自己再次当选的机率?这些实行的细节都是需要经过更多特别设计的。今天就来简单介绍一下Algorand这个相对新的共识算法。

  提出Algorand算法的是一位图灵奖的得主Silvio Micali,若是以一个投资者的角度来看,这个项目背后的学术实力是绝对不容质疑的。Silvio称Algorand为Pure Proof of Stake。因为在他的设计中,货币的持有者不需要把某数量的货币抵押出去(会有一段时间不能使用),或是代理(delegate)给其他人来参与PoS共识机制,而是只要自己钱包里面拥有balance就可以一同参与这个共识机制。这确实比较符合去中心化的理念,毕竟降低了参与共识的门坎。

  Verifiable Random Function,中文是可验证随机函数。简单的说,VRF能够由私钥(SK)以及信息(X)产生一组可验证的伪随机(pseudorandom)随机数Y以及证明Ρ。任何人都可以通过Verify()函数来检验这个随机字串是否真的是该公钥对应私钥持有者,依照规定使用Evaluate()函数所产生,而不是自己乱掰的:

  · Verify(VK,X,Y,⍴)→0/1.验证随机数:输入公钥VK,信息X,随机数Y,以及the proof⍴。若该随机数确实是由该公钥对应之私钥使用Evaluate函示所产生,则回传1(true)

  无论是在何种BFT的共识机制中,都是由Leader以及Committee来完成区块的发布以及共识决议。例如EOS的dPoS BFT是固定21个BP轮流担任Leader以及投票者、Zilliqa通过PoW加入Committee进行PBFT共识算法。这些比较直观的拜占庭共识算法都有一个共同特征,就是大家都可以看到下一个区块的Leader是谁,以及负责协议共识的Committee是谁。这造成了一个可能的风险,就是这些区块生产者以及Committee成员容易成为有心人是攻击的目标,无论是DDOS也好,贿赂也好,都让攻击者有清楚的目标。这也使的要成为一个Leader或是Committee member的安全门坎更高。

  Algorand为了解决这种潜在的风险,利用VRF来掩盖Leader Selection的步骤。可以想像成:一般的BFT在每一轮开始时公平公开选出Leader以及Committee,Algorand则是像在每一轮开始时公布中奖号码,每个使用者都可以自己拿自己的票根对奖,中奖的人即可成为下一轮的Leader(或是Committee Verifier),但在中奖者自己表明身份前,没有人知道谁中奖,也就是没有人能预测下一轮的Leader以及Committee。当然中奖与否并不是口说无凭,中奖者需要出示中奖证明,而这个证明是大家都可以验证的,这正是我们刚刚说到的VRF。

  在每一轮每一个步骤(step)开始前,每一个使用者都可以通过Sortition()函示,由自己的私钥配合VRF来检验自己有没有资格成为Leader或是委员会的成员(看VRF的evaluate()函示output是否符合某些规定,机率与持有货币成正比)。若发现自己是Leader,该使用者就会准备好要发布的区块,附上自己确实中奖的Proof一起广播出去。同理,在接下来每一个需要Committee决议投票的步骤中,每一个使用者都先检验自己是否成功被抽中进入委员会,是的话就把自己的投票(或是其他要协议的值)随着Proof一起广播出去。

  上述的设计对安全性有很大的帮助,由于没有人能预测参与下一轮共识的成员,所以恶意节点无法事前锁定要攻击的对象。当一个恶意节点知道某人是这一轮的Leader时,代表这个信息已经散布到网络之中,该Leader想要广播的区块已经让网络上的其他节点知道,因此已经算是「功臣身退」了,现在才要攻击它一切都太晚了。同理,在后面所有的共识过程中,在每一个成员广播出自己决议的同时,投出那一票的瞬间,他们就已经达成了自己此步骤身为委员会成员的义务,再下一个步骤中的又会有新的委员会出现,生生不息的继续完成每一轮的共识。

  这就是所谓的Participant Replacement,每一个共识步骤的决议成员都不同且彼此独立,使得恶意使用者无法有效率的攻击这个网络。

  细心的你可能会注意到,这种自己在家对奖的模式让很多人同时成为Leader呢?答案是会的,可能会有多个节点都符合条件成为Leader,但最后大家可以规定简单的经过hash来排序,决定出Prioroty最高的那个leader,并只帮忙广播它的区块。

  总结一下,Algorand在每一个区块leader的产生到共识的每一个决议步骤,都不是事先选择好,而是当下发现自己有权利参与的节点,在参与共识的同时附上Proof来广播。这不同于一些BFT模型是节点广播区块之后等待某些已知使用者回复签章,而是Locally收集网络上的各种签章投票,在帮助gossiping的同时自己运行自己的共识算法。

  Algorand算法的出现造成了一阵不小的轰动(单然还有BA*也是重点),透过VRF来进行去中心化世界中随机数生产的概念也被越来越区块链应用。这里仅仅简单介绍了一下VRF以及他在共识协议中可以带来的改变。

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