Hyperledger Fabric 中的共识

Linux 创建了免费的企业级 Hyperledger Fabric，这是一个分布式数据库平台。 它的主要目的是支持基于区块链的分布式应用程序的开发。由于它根据正在进行的交易的合法性及其账本的当前阶段来验证每个网络用户（区块）的同意，因此共识对于 Hyperledger Fabric 至关重要。本文的主要议题是 Hyperledger Fabric 中的共识。

共识：它是什么？

“共识”指的是几个人达成的一致意见或妥协。 它还表示，对于特定问题和主题，组织或团队的每个参与者都已得出结论，即所有参与者都同意其将用于解决该问题的特定方法或策略。

在某些情况下，当整个团队或小组参与解决问题或实现目标，并且在最佳前进方向上存在两个以上对立观点时，将考虑共识。

共识过程对于区块链技术至关重要。

如果账本的所有参与区块或节点位置都同意数据交换是由合法人员而不是黑客进行的，那么数据交换将是有效的。如果一个部分或一个点与所有其他部分或点不一致，则交易无法进行。

比较各种共识类型

1. 工作量证明

与工作量证明不同，在工作量证明中，首先解决最困难谜题的矿工获得将其中一个区块添加到其特定区块链的权利，而权益证明则要求矿工根据他们投资的加密货币数量来提出下一个区块。

优点

1. 由于涉及复杂的数学计算，因此非常安全。
2. 被一些更知名的加密货币使用——比特币及其他。

缺点

1. 资源消耗量非常大，对环境有重大影响。
2. 慢。
3. 如果一个人控制挖矿过程和存款的大部分方面，就会发生攻击。

2. 权益证明

描述

矿工被要求根据人们“质押”的加密货币数量生成一个新区块。

好处

1. 更便宜，更环保。
2. 交易速度比工作量证明快。
3. 不易受 51% 攻击。

缺点

1. 拥有大量质押的情况下，网络会受到“验证者”的控制。
2. 这意味着更多质押，从而获得更多奖励。

3. 委托权益证明

描述

所有人都可投票选举负责创建和验证新区块的小团体。

优点

1. 交易时间快，适合灵活性。
2. 比工作量证明使用更少的资源，因此比常规权益证明更去中心化。

缺点

1. 由于投票方式，更大的权力份额仍掌握在那些获得最关键票数的人手中。
2. 利益冲突出现。由于这些相互竞争的利益，一些人在选举中被选为候选人的票数份额较小。

4. 重要性证明

描述

NEM 网络使用共识。在生成区块时，它会考虑个人账户持有的硬币数量或完成的活动数量。

好处

1. 任何人都可以参与。
2. 向贡献和充分参与的人提供奖励。

缺点

1. 在某些情况下，确定账户的重要性可能具有挑战性。
2. 容易受到女巫攻击

5. 容量证明/空间证明

描述

矿工利用其存储容量创建硬币并管理加密货币问题。

优点

1. 与 PoW 相比效率更高。
2. 根据使用的内存获得更大的奖励。

缺点

1. 分配的空间越多，挖矿的好处就越大。
2. 由于他们必须投入其设备的距离，因此产生的成本相当可观。
3. 矿工可能心怀恶意。

6. 经过时间证明。

描述

英特尔开发的矿工应在指定时间内展示其耐心。

优点

1. 成本效益高。
2. 简洁的堆叠。

缺点

1. 需要可靠的硬件支持，主要来自英特尔。
2. 限制相对集中，提供了额外的去中心化程度。
3. 容易受到时间操纵攻击。

7. 混合活动证明。

描述

混合活动证明是一个公认的术语，它将 PoW 与 PoS 结合起来，因为 PoW 确实安全；它用于生成区块，而 PoS 用于验证，因为它消耗的能量更少。

好处

1. 结合了 PoW 和 PoS 的优点。
2. PoW 提供安全性，而 PoS 使其更节能。

缺点

1. 完成过程复杂。
2. 由于使用 PoW，中心化风险增加。

8. 活动证明

描述

网络授权一些交易检查员验证最初创建的交易并生成新的交易。

好处

1. 稳定的延迟和高吞吐量。
2. 它灵活、高效，并采用节能措施。

缺点

1. 它有一些验证者。
2. 它受到较小中央机构的影响较小。

9. 销毁证明

描述

简而言之，黑客通过销毁系统分配给个人的资金来获得生成比特币的能力。

好处

1. PoW 和 PoS 的选项。
2. 由于销毁现有硬币会减少其数量，因此价值会增加。

缺点

1. 无法停止销毁过程。
2. 狭窄的使用案例。
3. 可能分布不均。

10. 拜占庭容错

描述

简而言之，即使网络中存在有缺陷的区块，它也能正常工作，因为每个人都达成了共识。

好处

1. 它很难被破坏，并且具有容错性。
2. 快速实用的完成。
3. 它在加密网络和权限方面提供了一致性。

缺点

1. 可扩展性受限。
2. 连接成本将随着连接数量的增加而上升。
3. 需要收集器。

共识与架构其他层的关系

网络层

为了达成共识，网络中的所有节点必须保持彼此之间简单而一致的交互和通信。网络协议用于影响支付和数据通过网络的传输。

数据层

所有节点都保留所有已验证交易的记录。同时，通过交互式协议算法与其他节点保持交易的排序。

密码层

支付和网络安全的基础是密码学。不同的共识方法使用不同的方法，例如数字签名和哈希函数。

智能合约层

共识方法更新网络状态，并确保节点之间的所有交互都根据网络概述的条件一致执行。

• 激励层： 主要提供一些激励或奖励系统，以吸引更多参与者注册各种协议系统。
• 治理层： 通过不同类型的投票程序选择矿工、测试人员和其他人员。这方面将处理大部分与治理相关的活动，包括更新网络标准和通过投票选举矿工。
• 安全层： 它是确保互联网安全的根本共识方法，至关重要。
• 用户界面部分： 它讨论了网络的状态、整个区块链，以及共识过程为何能够确保每个节点在整个过程中安全运行。

共识属性

为了确保区块链不同节点的正常运行，必须有两个主要的共识属性：它确保安全性。

1. 活跃性： 每个参与节点都应该了解系统中当前发生的事件，这将使他们能够达成共识：再次传递给下一个位置。
2. 安全性： 为了确保安全性，每个贡献节点必须以相同的顺序、输入细节和顺序输出接收输入。网络中的每个节点都必须知道状态；然而，每个服务的状态会随着它通过另一个节点串行接收更新而修改。这证实了代表有权的人进行的交换的合法性。
3. 最终性： 保证一旦交易被验证并写入区块，交易就不可逆转。
4. 去中心化： 去中心化是将权力和决策控制权分配给网络组成者，以防止一个控制特征完全主导互联网的过程。
5. 可扩展性： 这是共识方法在没有麻烦的情况下处理网络中不断增加的不同节点的能力。
6. 能源效率： 随着网络数量的增长，矿工现在必须注意不要进行对自然最终几个方面有害的挖矿活动。

Hyperledger Fabric 中的阶段

Hyperledger Fabric 执行共识的三个阶段如下：

1. 支持： 支持的概念是说，当有足够的节点支持时，交易被认为是合法的。这就像请愿的方面。如果更多的人请愿得到支持，那么对它的认可度就越高。这讨论了如果网络强烈支持一项交易，那么人们可以清楚地知道它是合法的。
2. 排序： 审批完成后，排序阶段按照 Hyperledger 之前操作中设置的顺序进行。
3. 验证： 顾名思义，验证是检查节点中包含的信息是否准确的事实。它查看每个节点，其中交互按照上一步中排定的顺序进行。验证并检查节点中注册的每个输入和输出。

Hyperledger Fabric 的共识应用

Hyperledger Fabric 有一些值得注意的共识应用

1. 供应链管理： Hyperledger Fabric 可以跟踪产品的多个阶段，检查其是否来自可靠来源，同时确保所有参与方（制造商、供应商和商家）对供应链的当前状态都有诚实的看法。通过共识机制，所有人都可以确保商定账本的当前状态以及针对供应链活动的交易顺序。
2. 金融服务： Hyperledger Fabric 支持银行间交易、跨境支付和贸易融资。共识机制确保所有交易都准确记录并得到参与银行的接受。
3. 医疗保健： Hyperledger Fabric 可用于安全共享患者记录、管理同意并跟踪敏感医疗信息的使用。共识机制确保数据更改准确反映并得到所有相关方的同意。
4. 能源行业： Hyperledger Fabric 可以促进碳信用交易，管理生产者和消费者之间的能源交易，并跟踪可再生能源贡献。共识确保交易的准确记录和遵守商定标准。
5. 保险： Hyperledger Fabric 可用于管理保单、处理索赔和验证保险范围。此类共识机制有助于确保所有参与者（例如保险公司、保单持有人、第三方评估员等）对保险数据状态达成一致。

共识机制的挑战

讨论共识机制时面临的一些挑战可以表述如下：

1. 可扩展性： 值得注意的是，随着网络中节点数量的持续增加，达成共识所需的时间呈几何级数增长，往往呈指数级增长。这可能导致交易处理时间变慢和额外的延迟。可能的解决方案包括实施第二层解决方案，优化当前共识算法的运行方式，以及分片或分区以解决可扩展性问题。
2. 安全性： 有效的共识机制必须能够抵御各种攻击，例如女巫攻击、51% 攻击和网络分区。可以通过使用健全而强大的加密机制、保持验证节点的多样性以及由各自方更新安全措施来降低安全风险。
3. 能源消耗： 由于巨大的计算需求，某些类型的共识机制，特别是工作量证明 (PoW)，可能会非常耗电。可以通过使用其他各种节能方法（例如权益证明 (PoS) 或混合模型）来降低更高的能源成本。
4. 延迟： 分布式网络中达成共识的延迟或局部延迟可能会延迟交易的验证和区块的构建。减少延迟的广泛措施包括优化共识协议，智能地切换到更快的网络通信协议，以及提高数据结构的效率。
5. 容错性： 确保共识机制能够在预期的正常操作情况下处理某些类型的故障，例如网络分区、节点故障或恶意行为。容错性可以通过共识协议本身的设计和高效的冗余来实现。

共识机制的未来趋势

在众多其他明确的号召中，有关共识机制的趋势包括：

1. 扩展解决方案： 以扩展管理不同交易量。
2. 节能共识： 可能是唯一广泛认可的现有框架，它将允许节能共识机制覆盖能源消耗领域并促进更好的能源节约。
3. 去中心化治理： 通过模型推动去中心化治理不仅将促进更好的决策制定，从而在通过既定流程进行协议升级时变得不适用，而且还将提高治理过程的透明度和包容性。
4. 互操作性和跨链解决方案： 拥有可互操作的设计机制，用于通过不同链跨共识协议交换数据。
5. 实时和低延迟共识： 加强共识以支持实时应用程序和结果对和互锁系统中的低延迟维度。

结论

共识机制的持续演进将应对区块链技术的多样化和日益增长的挑战。采用混合和自适应共识、实时处理和法规遵从性可能会在未来底层协议的性能和鲁棒性方面带来可观的积极权衡。这些模型的创新将继续有助于推动分布式系统的发展，从而在不同领域实现更具资源效率和多功能的应用程序。