[论文解读] Consensus Algorithms of Distributed Ledger Technology -- A Comprehensive Analysis

Ahmad J. Alkhodair, Saraju P. Mohanty+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2023

Blockchain Technology Applications and SecurityComputer Science被引用 3

一句话总结

本文对分布式账本技术（DLT）中的30种共识算法进行了全面分析，从安全性、可扩展性、能效等11项属性进行评估。由于在性能、安全性和去中心化之间实现了良好平衡，PPoS（Algorand）、NPoS（Polkadot）、Ouroboros（Cardano）、DPoS（EOS）和Avalanche被识别为网络物理系统（CPS）的优选候选算法。

ABSTRACT

The most essential component of every Distributed Ledger Technology (DLT) is the Consensus Algorithm (CA), which enables users to reach a consensus in a decentralized and distributed manner. Numerous CA exist, but their viability for particular applications varies, making their trade-offs a crucial factor to consider when implementing DLT in a specific field. This article provided a comprehensive analysis of the various consensus algorithms used in distributed ledger technologies (DLT) and blockchain networks. We cover an extensive array of thirty consensus algorithms. Eleven attributes including hardware requirements, pre-trust level, tolerance level, and more, were used to generate a series of comparison tables evaluating these consensus algorithms. In addition, we discuss DLT classifications, the categories of certain consensus algorithms, and provide examples of authentication-focused and data-storage-focused DLTs. In addition, we analyze the pros and cons of particular consensus algorithms, such as Nominated Proof of Stake (NPoS), Bonded Proof of Stake (BPoS), and Avalanche. In conclusion, we discuss the applicability of these consensus algorithms to various Cyber Physical System (CPS) use cases, including supply chain management, intelligent transportation systems, and smart healthcare.

研究动机与目标

• 系统评估并比较30种用于分布式账本技术（DLT）和区块链网络的共识算法。
• 通过分析安全性、可扩展性和能效等关键属性的权衡，识别最适合网络物理系统（CPS）的共识算法。
• 基于其底层账本结构——区块链、DAG和BFT架构——对共识机制进行结构化比较。
• 评估共识算法在实际CPS用例中的适用性，包括供应链管理、智能医疗和智能交通系统。
• 为NPoS、DPoS、Avalanche和Hashgraph等主流算法在关键任务、去中心化环境中的部署提供洞察，包括其优势与局限性。

提出的方法

• 研究在11项属性上评估30种共识算法：硬件需求、预信任水平、容错能力、安全性、可扩展性、去中心化程度、能效、性能、延迟、最终性及复杂度。
• 按账本结构对共识算法进行分类：基于区块链的（如PoW、PoS、DPoS）、基于DAG的（如Tangle、Avalanche）以及基于BFT的（如Tendermint、Ouroboros）。
• 分析每种算法的运行机制，包括验证者选择方式（如PPoS中的随机选择、NPoS中的权益质押选择、PoET中的领导者机制）以及共识机制（如Hashgraph中的虚拟投票、Avalanche中的概率采样）。
• 通过比较表格（表XLVII）对最适合CPS的前10种共识算法进行排名，总结每种实现的优缺点。
• 分析实际应用案例，如Algorand（PPoS）、Polkadot（NPoS）、Cardano（Ouroboros）、Cosmos（Tendermint）和IOTA（Tangle）。
• 采用多维评估框架评估权衡关系，重点关注CPS环境中实际部署的约束条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些共识算法在网络安全、可扩展性和能效方面表现出最佳平衡，适用于网络物理系统（CPS）？
• RQ2 区块链、DAG和BFT等不同账本结构如何影响CPS应用中共识算法的性能与适用性？
• RQ3 在权益证明（PoS）和基于BFT的共识机制中，去中心化、最终性和性能之间的关键权衡是什么？
• RQ4 硬件依赖型算法（如PoET）与硬件保护协议在公平性和企业及CPS环境中的适用性方面如何比较？
• RQ5 哪些共识算法最适合特定的CPS用例，如供应链可追溯性、智能医疗和去中心化能源交易？

主要发现

• PPoS（Algorand）提供高安全性和能效，但因复杂的密码学操作而面临可扩展性挑战。
• NPoS（Polkadot）实现强可扩展性和跨链互操作性，但其复杂的提名与治理结构带来中心化风险。
• Ouroboros（Cardano）通过可证明安全的权益基础共识实现强安全性和适应性，但存在潜在延迟和协议复杂性问题。
• DPoS（EOS、Bitshares）实现高性能和低能耗，但因依赖少数选举出的代表而易受中心化和选民冷漠的影响。
• Avalanche通过概率共识和子网实现高可扩展性和强安全性，但其长期稳定性尚未得到验证，且验证者选择机制复杂。
• PoA（VeChain、POA Network）和PoET（Hyperledger Sawtooth）提供可预测的性能和低能耗，但牺牲了去中心化，依赖可信权威机构或特定硬件，限制了在CPS中的广泛应用。