DPOS 共識演算法 - 缺失的白皮書

原文：

網路上已經有了好幾個版本的譯文，可能是原文寫的沒那麼“平易近人”，這些譯文我都看得不太懂 :)

這篇“缺失的白皮書”是對委託權益證明(Delegated Proof of Stake, DPOS)的分析，旨在分析 DPOS 的工作原理及其魯棒性（robust）的根源。；不過，那個描述裡包含了很多與實際共識不大相關的內容。

本質上，所有區塊鏈都是一種由交易驅動的確定性狀態機。而共識，是就確定性交易順序達成一致並過濾無效交易的過程。有各種不同的共識演算法都可以產生等效的交易排序，但透過在多個區塊鏈上長年累月的可靠執行，DPOS 已經證明其具備健壯性、安全性和有效性。

像所有共識演算法一樣，塊生產者(俗話就是出塊人)可能導致的最大損害是審查（censorship）。所有塊的有效性必須基於確定性的開源狀態機邏輯。

DPOS 演算法概要

DPOS 演算法分為兩部分：

1. 選擇一組塊生產者

2. 排程生產

選擇出塊人的過程，確保了利益相關方(stakeholder，通俗點也可以說是持幣人)最終能有控制權，因為當網路不能順利執行時，利益相關方的損失最大。就實際執行中如何達成共識而言，如何選擇出塊人其實幾乎沒有多大影響，因此，本文將重點介紹在選好出塊人之後，如何達成共識。

為了幫助解釋這個演算法，我將假設 3 個塊生產者 A，B 和 C。因為需要達成 2/3+1 的多數共識來解決所有情況，這個簡化的模型將假設生產者 C 是打破僵局的那個人（也就是 2/3+1 裡面的 1，勝負手）。在現實世界中，將有 21 個或更多的出塊人。像工作量證明一樣，一般規則是最長鏈勝出。任何時候，當一個誠實的節點看到一個有效的更長鏈，它都會從當前鏈切換到更長的這條鏈。

我將舉例說明在大多數能夠想到的網路條件下，DPOS 是如何執行的。這些例子應該可以幫助您理解為什麼 DPOS 穩健且難以破壞。

正常操作(Normal Operation)

在正常操作下，出塊人輪流每 3 秒鐘出一個塊。假設沒有人錯過自己的輪次，那麼將會產生最長鏈。出塊人在被排程輪次之外的任何時間段出塊都是無效的。也就是說，如果沒有輪到自己出塊，出的任何塊都是無效的。

normal operation

少數分叉(Minority Fork)

如果出現不超過節點總數三分之一的惡意或故障節點，那麼可能會產生少數分叉（minority fork, 或者可以說是小群體分叉）。在這種情況下，少數分叉每 9 秒只能產生一個塊，而多數分叉每 9 秒可以產生兩個塊。這樣，誠實的 2/3 多數將永遠比少數（的鏈）更長。

minority fork

離散少數的雙重生產(Double Production by Disconnected Minority)

如果有很多“各自為政”的小群體，那麼他們可以試圖產生無數的分叉，但是因為少數人在出塊速度上註定比多數人更慢，所以所有小群體的分叉都會比多數人的那條鏈短。

double production by disconnected minority

網路碎片化(Network Fragmentation)

網路完全有可能碎片化，從而導致沒有任何分叉擁有數量上佔多數的出塊人。在這種情況下，最長鏈將倒向最大的那個小群體（“矮子裡面挑高個”）。當網路連通性恢復時，其他較小的小群體會自然切換到最長的那條鏈（也就是最大的小群體那條鏈），繼而恢復明確的共識。

network Fragmentation

有可能存在這樣三個分叉，其中兩個較長的分叉長度相同。在這種情況下，當第 3 個（較小）分叉的出塊人重新加入網路時，就會打破平局。出塊人總數為奇數，因此不可能長時間保持平局。稍後我們還會談到出塊人“混洗（shuffle）”，它使得出塊順序隨機化，從而確保即使是出塊人數目相同的兩個分叉，也會以不同的速度增長，最終導致一個分叉勝出。

線上少數的雙重生產(Double Production by Connected Minority)

在這種場景下，少數節點 B 在其時間段內產生了兩個或更多的競爭塊（alternative block）。下一個出塊人（C）可以選擇基於 B 產生的任意一個塊繼續往前走。如此一來，C 的這條鏈就成為最長鏈，而所有選擇 B1 的節點都將切換到最長鏈。即使少數不良出塊人試圖廣播再多的競爭塊也無關緊要，因為它們作為最長鏈的一部分永遠不會超過一輪(round，所有出塊人挨個出塊，轉完一圈就是一輪)。

double production by connected minority

最後不可逆塊(Last Irreversible Block)

在網路碎片化的情況下，在相當長的一段時間內，很有可能有多個分叉都持續不斷地增長。長遠來看，最長的鏈終將獲勝，但觀察者（observer）需要一種確切的手段，以此來確定一個塊是否在增長最快的鏈上。這可以透過看是否有 2/3+1 多數出塊人的確認來確定。

在下圖中，塊 B 已被 C 和 A 所確認，即表示有 2/3+1 多數確認，由此我們可以推斷沒有其它鏈會比這條鏈更長 – 如果 2/3 的出塊人是誠實的。

last inreversible block

請注意，這個“規則”類似於比特幣的 6 個塊確認。一些“聰明”人也許可以謀劃一系列事件，使得兩個節點的最後不可逆塊不同。這種極端的例子要求攻擊者能完全控制通訊延遲，並且在幾分鐘內控制兩次--而不僅僅是一次。即便這真的發生了，最長鏈勝出的長期規則仍然適用。我們認為這種攻擊的可能性足夠接近 0，且經濟後果無關緊要，因此不足為慮。

出塊人不足(Lack of Quorum of Producers)

有一種不太可能會出現的情況，即沒有明確到底有多少個出塊人，在這種情況下，少數人還是可以繼續出塊。在這些塊裡，利益相關方可以包含更改投票的交易。這些投票可以選出一組新的出塊人，並將出塊參與率恢復到 100％。一旦如此，這條小群體的鏈最終將超過所有其他出塊參與率低於 100％ 的鏈。

在此過程中，所有觀察者都會知道，在出現一條參與率超過 67% 的鏈之前，網路都處於不穩定的狀態。如果有人選擇在此條件下進行交易，那麼他將承受與接受不到 6 個確認類似的風險。他們也知道存在這樣的小機率事件，即最終的共識（或者說最長鏈）出現在另一個不同的分叉上。在實際操作中，這種情況仍然要比接受少於 3 個比特幣確認要安全的多。

多數出塊人出現問題(Corruption of Majority of Producers)

如果多數出塊人出現問題，那麼他們可能產生無限的分叉，每個分叉都看起來以 2/3 多數確認向前推進。這種情況下，最後不可逆塊演算法蛻變為最長鏈演算法。最長鏈就是為最多人認同的鏈，而這條鏈實際將由少數剩下的誠實節點決定。這種行為不會持續很長時間，因為利益相關方最終會投票替換掉這些出塊人。

corruption of majority of producers

交易權益證明（Transactions as Proof of Stake, TaPoS）

使用者為一個交易簽名，是基於對區塊鏈狀態的一個假設，而這個假設又基於他們對最近幾個塊的“認識”（perception）。如果最長鏈的共識發生改變，則很可能會使簽名者之前簽名時所依據的假設失效。

就 TaPoS 而言，所有交易都包含最近一個塊的雜湊，如果該塊在區塊鏈中不存在，那麼認為這些交易是無效的。任何在孤兒分叉(orphaned fork)上給交易簽名的人，最終都會發現該交易無效，且無法遷移到主分叉。

這個過程有個附帶的好處，它可以抵禦試圖產生替代鏈的長程攻擊（long-range attack）。每次交易時，利益相關方都直接對區塊鏈做出確認。隨著時間的推移，所有的塊都是由所有利益相關方確認過的，這在一條偽造的鏈（forged chain）所做不到的。

確定性出塊人混洗(Deterministic Producer Shuffling)

在上面我們所展示的所有案例中，出塊人按迴圈排程出塊。實際上，每出 N 個塊（N 是出塊人數量），出塊人集合都會進行一次混洗。這種隨機性確保了出塊人 B 不會總是忽略出塊人 A，並且當出現多個數量出塊人相同的分叉時，最終會有一個分叉勝出。

結論

在每一個想得到的自然網路破壞下，DPOS 都是健壯的，甚至在面對大部分出塊人作弊時，也是安全的。不像其它共識演算法，當大多數出塊人出現問題時，DPOS 仍然可以繼續工作。在此過程中，社群可以投票替換掉不合格的出塊人，直到恢復 100％ 參與率。在如此高強度和變化多端的故障條件下，我還不知道有任何其它演算法也可以依然保持如此健壯。

DPOS 之所以能有這麼高的安全性，歸根結底來自於其選擇出塊人和驗證節點質量的演算法。透過贊成投票制（approval voting），可以確保即使一個人擁有 50％ 的有效投票權，也不能獨自選擇一個出塊人。DPOS 的設計初衷是在良好的網路連線，誠實節點 100％ 參與共識的情況下最佳化效能，這使得 DPOS 有能力在平均只有 1.5 秒的時間內以 99.9％ 的確定性確認交易，同時能夠以一種優雅和可檢測的方式降級 – 降級也不是什麼大事。

其他共識演算法的設計初衷是，節點不誠實且網路條件惡劣。這種設計的最終結果就是，網路的效能更差，延遲更高，更新開銷大，並且在 33% 節點出現問題的情況下就會徹底停止正常運轉。

在 BitShares 成功執行三年，Steem 執行一年期間，我們經歷了各種各樣的網路條件和軟體錯誤。對於各種狀況，DPOS 都成功地得以應對，並且證明了在維護共識的同時，處理了比任何其它區塊鏈更多的交易。