[论文解读] Blockchain Consensus Algorithms: A Survey

Md Sadek Ferdous, Mohammad Jabed Morshed Chowdhury+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2020

Blockchain Technology Applications and Security被引用 8

一句话总结

本文对区块链共识算法进行了全面综述，提出了一种新颖的分类体系，将共识算法划分为激励型（如PoW、PoS、DPoS）与非激励型两类，并对它们的特性、权衡关系以及在100多种加密货币中的实际应用进行了详细分析。主要贡献在于提供了可视化表格对比和一个决策树，以根据系统需求指导共识算法的选择。研究指出，尽管PoW在市值上仍占主导地位，但PoS和DPoS在可扩展性方面表现更优，然而其安全性问题仍未解决。

ABSTRACT

In recent years, blockchain technology has received unparalleled attention from academia, industry, and governments all around the world. It is considered a technological breakthrough anticipated to disrupt several application domains. This has resulted in a plethora of blockchain systems for various purposes. However, many of these blockchain systems suffer from serious shortcomings related to their performance and security, which need to be addressed before any wide-scale adoption can be achieved. A crucial component of any blockchain system is its underlying consensus algorithm, which in many ways, determines its performance and security. Therefore, to address the limitations of different blockchain systems, several existing as well novel consensus algorithms have been introduced. A systematic analysis of these algorithms will help to understand how and why any particular blockchain performs the way it functions. However, the existing studies of consensus algorithms are not comprehensive. Those studies have incomplete discussions on the properties of the algorithms and fail to analyse several major blockchain consensus algorithms in terms of their scopes. This article fills this gap by analysing a wide range of consensus algorithms using a comprehensive taxonomy of properties and by examining the implications of different issues still prevalent in consensus algorithms in detail. The result of the analysis is presented in tabular formats, which provides a visual illustration of these algorithms in a meaningful way. We have also analysed more than hundred top crypto-currencies belonging to different categories of consensus algorithms to understand their properties and to implicate different trends in these crypto-currencies. Finally, we have presented a decision tree of algorithms to be used as a tool to test the suitability of consensus algorithms under different criteria.

研究动机与目标

• 为解决现有研究中缺乏对多样化系统和用例下区块链共识算法的全面、实用分析的问题。
• 识别并分类现有共识算法的关键特性与权衡关系，尤其关注其在安全性、性能和可扩展性方面的表现。
• 分析超过100种加密货币，以揭示共识机制采纳的趋势，并评估其在现实世界中的影响。
• 开发一个基于系统需求（如去中心化程度、吞吐量、安全性）的决策树工具，以辅助选择共识算法。
• 提供一种系统化、基于分类体系的共识机制比较框架，弥补以往综述在深度与完整性方面的不足。

提出的方法

• 提出一种新型的两级分类体系：激励型与非激励型共识，进一步按机制类型细分（如PoW、PoS、DPoS、BFT变体、混合型、新型）。
• 使用一组全面的特性指标对每类共识机制进行分析，包括安全性、可扩展性、吞吐量、延迟和去中心化程度。
• 通过表格形式呈现，以可视化方式对比不同区块链系统和加密货币中的共识算法。
• 对超过100种主流加密货币进行大规模实证分析，将其映射至对应的共识机制，以识别采纳趋势。
• 基于系统需求（如信任模型、性能、去中心化程度）构建决策树，以指导共识算法的选择。
• 审查并对比公共与私有区块链系统，包括基于Hyperledger的框架所采用的SBFT、PoET及其他非激励型共识机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 主要区块链共识算法的关键特性与权衡关系是什么？它们如何影响系统性能与安全性？
• RQ2 不同共识机制（如PoW、PoS、DPoS、BFT）在可扩展性、吞吐量以及对无利益攻击或长程攻击等安全威胁的抵抗能力方面如何比较？
• RQ3 在超过100种主流加密货币中，共识机制采纳的趋势如何？这些趋势如何反映现实世界中的优先考量？
• RQ4 现有共识算法存在哪些局限性？为何尚未实现安全性、性能与去中心化之间的理想平衡？
• RQ5 决策框架如何帮助开发者与架构师为特定区块链用例选择最合适的共识算法？

主要发现

• 工作量证明（PoW）尽管能耗高、吞吐量低，但在市值方面仍是主导性共识机制。
• 权益证明（PoS）与委托权益证明（DPoS）相比PoW具有显著更高的吞吐量和更低的延迟，但其安全性问题仍未解决，如无利益攻击、贿赂攻击和长程攻击。
• 混合共识机制（如PoR、PoB、PoS-Velocity）以及新型方法（如PoC、PoI）展现出潜力，但尚未实现广泛部署与标准化。
• 非激励型共识算法（如SBFT、PoET、Tendermint）在Hyperledger等私有区块链中实现高吞吐量与低延迟，但需预先认证参与者，因而限制了去中心化程度。
• 分析表明，尚无共识算法能实现安全性、性能与去中心化三者的最优平衡，表明理想的解决方案仍未出现。
• 所提出的决策树为根据具体区块链系统需求选择共识算法提供了一个实用的、基于标准的工具。