基于高效科學(xué)安全的實用型的星系共識介紹

星系共識（Galaxy Consensus）是萬維鏈理論研發(fā)團(tuán)隊全新提出的高效、科學(xué)、安全的實用型PoS共識協(xié)議，旨在替代原本高能耗的PPoW（permission proof-of-work），也將萬維鏈的共識系統(tǒng)正式開放給廣大社區(qū)，邁出完全去中心化的關(guān)鍵一步。在當(dāng)前眾多區(qū)塊鏈系統(tǒng)百家爭鳴的形勢下，安全高效的共識協(xié)議已經(jīng)成為大家主要的研究方向之一，PoS、PoA、PoI等等眾多共識模型被相繼提出，而在眾多共識模型中，經(jīng)過謹(jǐn)慎的思考，萬維鏈認(rèn)為權(quán)益才是左右鏈上治理和發(fā)展的根本因素，也就研發(fā)了PoS星系共識協(xié)議，在群星璀璨的共識節(jié)點運轉(zhuǎn)下，打造屬于萬維鏈的共識星系。

一、整體框架設(shè)計

對于共識協(xié)議的設(shè)計來講，主要解決的就是兩個核心問題：出塊者選擇（Leader selection）和合法鏈選擇（Chain selection）。在傳統(tǒng)的PoW中，出塊者的選擇是通過挖礦進(jìn)行的，借助的是哈希函數(shù)的隨機性，礦工依賴自身的計算能力參與出塊者競爭，而這里的公平性就體現(xiàn)在任何節(jié)點對哈希函數(shù)結(jié)果的不可預(yù)測性，任何節(jié)點都沒有優(yōu)勢可言，只能通過簡單粗暴的窮舉運算來解決問題。合法鏈的選擇上往往也是采取最長鏈的規(guī)則，也就是讓算力最大的分支成為主流。這樣挖礦+最長鏈規(guī)則的框架設(shè)置下就導(dǎo)致了大量的能源浪費，也是其他共識協(xié)議被提出的根本原因之一。那么當(dāng)前主流的PoS協(xié)議又是通過怎樣的框架設(shè)計來解決這一問題的呢？

經(jīng)過長期的調(diào)研學(xué)習(xí)，我們以三種知名的共識協(xié)議來簡單介紹PoS共識的主流框架：

Cardano的Ouroboros是發(fā)表在美密會上的頂尖學(xué)術(shù)論文，也是第一個被工業(yè)界采用的可證明安全PoS算法，其卓越的貢獻(xiàn)就在于提出了可證明安全的共識模型框架，并在其中設(shè)計了實用的算法模塊。在其多個系列版本中，出塊者選擇上也有不同的方式，由最初利用隨機數(shù)的確定性選擇到采用VRF算法的匿名選擇，Ouroboros逐漸將選擇的過程隱私化安全化，而有效鏈的選擇上一直是最長鏈規(guī)則，也就是chain based方式，保證了鏈的安全性。所以O(shè)uroboros的整體框架就是VRF selection + Chain based模式。

Algorand是由圖靈獎得主、MIT教授Sivio Micali提出的PoS共識協(xié)議，其突出貢獻(xiàn)在于設(shè)計了BFT的升級協(xié)議BA*協(xié)議，利用投票的方式解決了區(qū)塊合法性的選擇，在出塊者和驗證者的選擇上Algorand也采用了VRF算法，保證了隨機性和匿名性，經(jīng)過BA*協(xié)議的運行，保證每一個高度的區(qū)塊都是被確認(rèn)的，即使最終是空區(qū)塊，也是經(jīng)過投票認(rèn)證的。所以Algorand的整體框架就是VRF + BA*投票模式。

Casper是以太坊當(dāng)前研究開發(fā)的PoS共識協(xié)議，秉持著實用性的特點，Casper采用了投注式共識，完成保證金質(zhì)押的驗證者可以投注自己相信會被確認(rèn)的區(qū)塊，在投注規(guī)則的限制下保證了最終勝出區(qū)塊的唯一性，而勝出的驗證人也將得到收益。Casper將幫助以太坊由PoW轉(zhuǎn)型為PoS，也是大家十分期待的共識協(xié)議。所以Casper的整體框架就是驗證人 + 投注的模式。

簡單介紹了幾種主流PoS共識協(xié)議之后，我們回歸到星系共識，經(jīng)過深入的思考研究，星系共識堅持學(xué)術(shù)派的發(fā)展路線，借鑒了Ouroboros可證明安全的模型框架，全新設(shè)計更加高效安全的隨機數(shù)生成算法，并創(chuàng)新性設(shè)計Unique Leader Selection算法替代VRF算法，用于出塊者選擇，保證了合法出塊者的唯一性，大大降低了自然分叉概率，所以星系共識的整體框架就是ULS + Chain based，在保證安全性的前提下極大地提升了實用性。

二、兩類星體，代表兩種共識節(jié)點角色

在星系共識之中，所有在智能合約中質(zhì)押了WAN的用戶都將成為整個星系中的一個節(jié)點，而這些節(jié)點由于能力的大小被分為兩種星體：恒星（star）和行星（planet）。

為區(qū)分兩種星體，這里就不得不說星系共識中的委托機制，為了給僅持有少量WAN或權(quán)益較小的用戶提供參與共識的機會，在星系共識中我們設(shè)計了完整的委托機制。委托機制的實現(xiàn)是基于三重ECDSA委托簽名算法，對當(dāng)前的區(qū)塊鏈系統(tǒng)有著天然的兼容性，通過委托機制，持有少量WAN的用戶可以將自身權(quán)益委托給代理節(jié)點，由代理節(jié)點參與共識的運行，同時由于簽名消息空間的限制，代理節(jié)點只能代為出塊，無法進(jìn)行其他操作，保證了用戶權(quán)益的安全性。

了解了委托機制，就可以介紹兩種星體的不同。在星系共識中的兩類星體：

恒星節(jié)點：是可以接受委托的共識節(jié)點，其自身持有一定量的權(quán)益，而且其自身權(quán)益值將影響其接受委托的權(quán)益上限；

行星節(jié)點：是不可以接受委托的共識節(jié)點，其參與共識完全依賴于自身持有的權(quán)益值。

雖然兩種星體能力大小有所區(qū)分，但在參與共識的過程中是相同的，并不做區(qū)分。希望成為恒星節(jié)點，一方面需要更多的權(quán)益質(zhì)押，另一方面也取決于節(jié)點的信譽程度，最終方法后續(xù)將有詳細(xì)說明。

三、兩類星群，負(fù)責(zé)構(gòu)建鏈上隨機數(shù)和收集交易、打包出塊

星系共識之中，參與節(jié)點由于任務(wù)分工被劃分為兩個星群：RNP星群和EL星群。這兩個星群都是在所有星系共識節(jié)點中，按照自身持有權(quán)益比例選擇出來的。但是承擔(dān)的任務(wù)不同，主要解決了共識中的兩個關(guān)鍵問題：

RNP星群是負(fù)責(zé)構(gòu)建鏈上隨機數(shù)的群體。RNP星群中的節(jié)點通過DKG1、DKG2、SIGN三個階段的工作完成隨機數(shù)的更新，保證了鏈上隨機數(shù)的安全性。正如上面介紹的主流PoS框架所說，如何維護(hù)一個公平的隨機數(shù)是保證協(xié)議安全的重中之重，RNP星群正是承擔(dān)著這一關(guān)鍵性工作，其每一輪產(chǎn)生的隨機數(shù)將作為星群構(gòu)建、出塊者選擇和其他隨機源應(yīng)用的重要種子，維持著共識的健康運轉(zhuǎn)。

EL星群是負(fù)責(zé)收集交易、打包出塊的群體。EL星群需要完成兩個周期的工作，第一個周期通過SMA1、SMA2兩個階段完成秘密信息序列（secret message array）的協(xié)商，完成EL星群內(nèi)部秘密數(shù)據(jù)的共享，第二個周期通過秘密信息序列和鏈上隨機數(shù)確定出塊權(quán)歸屬，并在自身負(fù)責(zé)出塊的時間段內(nèi)打包區(qū)塊并廣播，完成鏈的生長發(fā)展，其作用毋庸置疑，是保證共識安全運行的基礎(chǔ)。

四、星系共識運行流程

介紹了兩種星體和兩類星群之后，我們從一個較高的視角整體的描述星系共識的運行流程，給大家一個直觀的展現(xiàn)，看看星系共識是如何運行的。首先我們介紹兩個時間上的概念：slot和epoch。相信了解過Ouroboros的讀者對這兩個概念應(yīng)該并不陌生，slot是一個區(qū)塊的生成時間，即每個slot內(nèi)產(chǎn)生一個新的區(qū)塊；epoch是由大量連續(xù)slot構(gòu)成的時間周期，是協(xié)議完整運行的一個循環(huán)。下面分四個步驟講述協(xié)議運行流程：

1. 構(gòu)建星系

這是協(xié)議運行的準(zhǔn)備階段，在這一階段，所有想要參與星系共識的節(jié)點通過在共識智能合約中質(zhì)押一定量的WAN成為星系節(jié)點，質(zhì)押時會選擇鎖定時間，這一時間將影響節(jié)點的權(quán)益值，鎖定時間越長，權(quán)益值則相應(yīng)略高，同時權(quán)益值隨著鎖定時間的流逝也將呈增長趨勢，這一設(shè)計很好的模擬了幣齡的概念，確保了權(quán)益設(shè)計的合理性和節(jié)點參與的公平性。經(jīng)過這一階段的準(zhǔn)備，星系中就出現(xiàn)了大量的節(jié)點，這些節(jié)點將正式運轉(zhuǎn)星系共識。

2. 組建星群

在每次協(xié)議運行周期（epoch）的起始，星系中會選擇出兩大星群，即RNP星群和EL星群，這兩大星群的選擇是基于節(jié)點持有權(quán)益值的比例，利用鏈上隨機數(shù)進(jìn)行的隨機選擇過程，類似于follow-the-satoshi，這里我們使用follow-the-stake-ratio，保證了星系節(jié)點參與組建星群的公平性，權(quán)益占比越高，被選入星群的概率越大，參與共識進(jìn)而獲得收益的可能性就越大，這也是PoS共識的核心思想之一。

3. RNP星群運轉(zhuǎn)

RNP星群被選擇組建之后，星群中的節(jié)點完成DKG1、DKG2和SIGN三個階段的工作，在DKG1階段，各節(jié)點提出自身對隨機數(shù)碎片選擇的承諾，保證了碎片選擇的不可更改性，在DKG2階段，各節(jié)點將自身選擇的隨機數(shù)碎片通過門限秘密分享的方式分享給星群中的其他節(jié)點，最終在SIGN階段，各節(jié)點公布自身收集的隨機數(shù)碎片數(shù)據(jù)，完成隨機數(shù)的生成，更新鏈上隨機數(shù)數(shù)據(jù)。整個過程由于門限秘密分享的特點，保證了只要在線節(jié)點數(shù)超過門限值就將順利完成隨機數(shù)的更新，確保了隨機數(shù)生成的可靠性，同時只要星群中至少一個節(jié)點在隨機數(shù)碎片的選擇上是隨機的，那么最終隨機數(shù)結(jié)果就是隨機的，保證了隨機數(shù)生成的安全性。

4. EL星群運轉(zhuǎn)

EL星群被選擇組建后，將參與兩個周期（epoch）的工作。在第一個周期中，EL星群節(jié)點參與SMA1和SMA2兩個階段工作。在SMA1階段，各節(jié)點提出自身秘密信息的承諾數(shù)據(jù)，保證了秘密信息的不可更改性，在SMA2階段，各節(jié)點將自己的秘密信息加密共享給其他節(jié)點，完成秘密信息序列（secret message array）的生成。在第二個周期起始時，EL星群中的節(jié)點會依據(jù)RNP星群產(chǎn)生的隨機數(shù)進(jìn)行排序，這一排序在整個周期中有效，同時依據(jù)秘密信息序列執(zhí)行出塊者選擇算法，確定整個周期內(nèi)各時間段（slot）的出塊權(quán)歸屬，這一過程是在EL星群內(nèi)部秘密執(zhí)行的，其他節(jié)點無法獲知結(jié)果，而EL星群中節(jié)點就依據(jù)出塊權(quán)的歸屬完成整個周期內(nèi)新區(qū)塊的生成。當(dāng)新區(qū)塊被提出時，EL星群中的節(jié)點要添加自身合法性的憑證，這一憑證可被全網(wǎng)驗證，確保了鏈的正常安全發(fā)展。通過以上的介紹了PoS星系共識的整體框架和運行流程。其中更詳細(xì)的內(nèi)容，可以在星系共識論文中找到具體的描述。