將poa和pos共識機制結合

1、區塊鏈共識算法――(四)PoA共識(Proof of Activity)

PoA共識（Proof of Activity）也稱為活動證明，其結合了PoW工作量證明與PoS權益證明的特點并進行了相應擴展，PoA共識具有更為復雜的記賬節點選取，同時有更為公平的獎勵機制。

PoA活動證明，主要的優勢是利用公平的激勵措施保證節點保持在線狀態，調動節點積極性，線上礦工即使不挖礦也有一定的概率獲取收益。大大提高了全網維護質量。

step1：每個礦工先利用自身算力通過工作量證明機制后得出nonce并生成一個空區塊頭，這個區塊頭除了沒有交易信息數據外其他數據與正常區塊一致。

step2：最先生成空區塊的節點廣播全網節點，全網節點接收到消息后，將此區塊的hash值與上一區塊的hash值進行拼接，然后加上n個固定后綴值進行再hash，最后得出n個值作為輸入，進入follow-the-satoshi程序，然后可輸出n個隨機權益持有者。

step3：前n-1個隨機權益持有者對空區塊進行簽名，第n個隨機權益持有者即為獲取到記賬權的節點，他將在空區塊的基礎上添加交易數據與簽名。

step4：第n個隨機權益持有者將打包好的區塊廣播全網，全網節點接收到區塊后進行驗證，驗證成功后上鏈。

step5：產生空區塊的礦工與第n個隨機權益持有者以及前n-1個已簽名的隨機權益持有者共享交易費獎勵。

2、POA(Proof of Activity)區塊鏈共識算法

POA(Proof of Activity)算法是一個區塊鏈的共識算法，基本原理是結合POW(Proof of work)和POS(Proof of stake)算法的特點進行工作，POW算法和POS算法的具體內容可以參考：

POW算法 ： https://www.jianshu.com/p/b23cbafbbad2
POS算法 ： https://blog.csdn.net/wgwgnihao/article/details/80635162

POA算法相比于其他算法可以改進網絡拓撲，維持在線節點比例，需求更少的交易費同時減少共識算法過程中的能量損耗。
POA算法需求的網絡中同樣包含兩類節點，礦工和普通參與者，其中普通參與者不一定一直保持在線。POA算法首先由礦工構造區塊頭，由塊頭選出N個幣，這N個幣的所有者參與后續的校驗和生成塊的過程。
從這里可以看到POA算法不僅與算力有關，后續的N個參與者的選舉則完全由參與者在網絡中所擁有的幣的總數量決定。擁有越多幣的參與者越有機會被選為N個后續的參與者。而后續N個參與者參與的必要條件是這N個參與者必須在線，這也是POA命名的由來，POA算法的維護取決于網絡中的活躍節點(Active)。

POA算法的一個理想的基本流程是，類似于POW協議，礦工構造出一個符合難度要求的塊頭，通過礦工得到的塊頭計算衍生出N個幣的編號，從區塊鏈中追溯可以得到這幾個幣目前所述的參與者。礦工將這個塊頭發送給這N個參與者，其中前N-1個參與者對這個塊進行校驗和簽名，最后第N個參與者校驗并將交易加入到該塊中，將這個區塊發布出去，即完成一個區塊的出塊。
一個理想過程如下圖所示：

在實際運行中，無法保證網絡上所有參與者都在線，而不在線的參與者則無法進行校驗和簽名，這個無法被校驗和簽名的塊頭則會被廢棄。
即在實際運行中，應該是一個礦工構造出塊頭后廣播給各個參與者簽名，同時繼續重新構造新的塊頭，以免上一個塊頭衍生的N個參與者存在有某一個沒有在線，而導致塊頭被廢棄。
因此，在這種情況下，一個塊是否被確認不僅與礦工的計算能力有關同時也與網絡上的在線比例有關。
與純POW相比，在與比特幣(POW)同樣10分鐘出一個塊的情況下，POA由于會有參與者不在線而產生的損耗，因此，10分鐘內礦工可以構造的塊的數量會更多，即塊頭的難度限制會降低，那么礦工在挖礦過程中會造成的能量損耗也會降低。
與純POS相比，可以看到POA的出塊流程并不會將構造區塊過程中的相關信息上鏈，可以明顯減少區塊鏈上用于維護協議產生的冗余信息的量。

本節對上訴協議中一些參數設置進行分析

在礦工構造出塊頭后對塊頭進行校驗和區塊構造的N個參與者的數量選定比較類似于比特幣中每一個塊的出塊時間的選取。比特幣中選擇了10分鐘作為每一個塊的期望出塊時間并通過動態調節難度來適應。
這里N的取值同樣可以選擇選定值或者動態調節。動態調節需要更加復雜的協議內容，同時可能會帶來區塊鏈的數據膨脹，而復雜的協議也增加了攻擊者攻擊的可能性。另外暫時沒有辦法證明動態調節可以帶來什么好處。靜態調節在后續的分析(4 安全分析)中可以得到N=3的取值是比較合適的。

從上面的描述可以看到，構造新的區塊的除了礦工還有從塊頭中衍生出來的N個幣所有者。在構造出一個新的區塊后，這些參與者同樣應該收到一定的激勵，以維持參與者保持在線狀態。
礦工與參與者之間的非配比例與參與者的在線狀態相關。給予參與者的激勵與參與者保持在線狀態的熱情密切相關，越多參與者保持在線狀態，能更好地維持網絡的穩定。因此，可以在網絡上在線參與者不夠多的時候，提高參與者得到的激勵分成比例，從而激發更多的參與者上線。
如何確定當前參與者的在線情況呢？可以最后第N個參與者構造區塊時，將構造出來但是被廢棄的塊頭加入到區塊中，如果被丟棄的塊頭數量過多，說明在線人數過低，應當調節分成比例。
同時最后第N個參與者與其他參與者的分成同樣需要考慮，第N個參與者需要將交易加入區塊中，即需要維護UTXO池，同時第N個參與者還需要將被丟棄的塊頭加入新構建的區塊中。
為了激勵其將廢棄區塊頭加入新構建的區塊中，可以按照加入的區塊頭，適當增加一點小的激勵。雖然加入更多的區塊頭，可以在下一輪的時候增加分成的比例，應當足夠激勵參與者往區塊中加入未使用的塊頭了(這里參與者不可能為了增加分成而更多地加入區塊頭，每一個區塊頭都意味著一位礦工的工作量)。
一個參與者如果沒有維護UTXO池則無法構造區塊，但是可以參與前N-1個的簽名，因此為了激勵參與者維護UTXO池，作為最后一個構造區塊的參與者，必須給予更多的激勵，比如是其他參與者的兩倍。

從3.2的描述中可以知道一個用戶必須在線且維護UTXO池才可能盡可能地獲得利益。這種機制勢必會導致一些用戶將自己的賬戶托管給一個中心化的機構。這個機構一直保持在線，并為用戶維護其賬戶，在被選為構造區塊的參與者時參與區塊的構建并獲取利益。最后該機構將收益按照某種形式進行分成。
上面說到參與者必須用自己的密鑰進行簽名，而托管給某個機構后，這個機構在可以用這個密鑰簽名構造區塊的同時，也有可能使用這個密鑰消費用戶的財產。這里可以采用一種有限花銷的密鑰，這個密鑰有兩個功能，一個是將賬戶中的部分財產消費出去，另一個是將所有財產轉移到一個指定賬戶。在托管的時候可以使用這個密鑰，在被通知部分財產被花費后可以立即將所有財產轉移到自己的另一個賬戶下，以保證財產的安全。

從上面的分析可以看到，POA的安全性與攻擊者所擁有的算力和攻擊者所擁有的股權有關。假設攻擊者擁有的在線股權占比為 ，則攻擊者的算力需要達到其他所有算力的 倍才能達成分叉。假設攻擊者股權總占比為 ，網絡中誠實用戶的在線比例為 ，則攻擊者的算力需要達到其他所有算力的 倍才能達成攻擊。
攻擊的分析表格如下：

從上文的分析可以看到，POA算法相比于其他算法可以改進網絡拓撲，維持在線節點比例，需求更少的交易費同時減少共識算法過程中的能量損耗。同時，PoA協議的攻擊成本要高于比特幣的純PoW協議。

參考文獻：Proof of Activity: Extending Bitcoin’s Proof of Work via Proof of Stake

3、生態協議AEP推出了什么共識機制?

AEP推出 PoA+PoS 的共識機制，PoA 決定了上層結構（主鏈幣），PoS 決定了Token 的屬性。AEP并不過份追求去中心化，而是強調有效和適度去中心化。

4、區塊鏈共識算法――(二)PoS共識(Proof of Stake)

2011 年 7 月, 一 位 名 為 Quantum Mechanic 的 數 字 貨 幣 愛 好 者 在 比 特 幣 論 壇 首次提出了權益證明 PoS 共識算法. 隨后, Sunny King 在 2012 年 8 月發布的點點幣 (Peercoin, PPC) 中首次實現. PoS 由 系統中具有最高權益而非最高算力的節點獲得記賬 權, 其中權益體現為節點對特定數量貨幣的所有權, 稱為幣齡或幣天數 (Coin days)

PoS是考慮到PoW的最大缺陷：浪費資源而提出的，簡單來說就是 誰的權益大，誰說了算 。

PoS共識機制（Proof of Stake 權益證明）通過權益記賬的方式，解決效率低下、資源浪費、節點一致性等問題。

各個節點需要滿足一定的條件（如抵押一定的代幣）才能成為驗證節點（權益提高），系統通過算法在其中選擇一部分作為出塊節點（礦工），每隔一段時間重新選擇，算法會保證完全隨機，不可被操控。只有出塊節點才能進行數據處理，爭奪記賬權。

權益主要由權益因子決定，可以是持幣數量，也可以是幣齡及兩者的結合。

以太坊在之后很有可能會改用PoS進行共識，其更加符合以太坊高效率的特點。

5、PoT基于信任的共識機制方案

姓名：胡娟

學號：20021110092

轉自：https://mp.weixin.qq.com/s/lA4qc1iA44HH5biH7TrFvg

【嵌牛導讀】區塊鏈的核心是無信任的領導選舉機制，在無需第三方或可信方的監督下，實現了匿名節點之間共識的達成。目前工作量證明(PoW)和權益證明(PoS)是集中討論的兩種共識機制。PoW依賴于計算能力的證明，伴隨著巨大的資源浪費。PoS通過依賴系統中擁有的加密貨幣的數量來解決問題。無論哪種方式，都受區塊鏈系統經濟基礎的限制，這迫使那些不含加密貨幣的區塊鏈應用程序只能求助于“許可”的設置，有效地使系統集中化。然而，對于無加密貨幣的非許可鏈能夠為眾多新興應用領域（如教育、醫療）提供安全的、自治的P2P結構服務，在這些領域中，對等節點之間存在一定的信任基礎。這為評估對等節點之間的信任并將其作為達成共識的基礎創造了可能性。

【嵌牛鼻子】PoT，PoW，PoS

【嵌牛正文】

PoW 是十分昂貴的

他是一種“難度值”控制資源消耗的機制。難度值是隨系統計算能力來調整級別的，隨著節點和事務的增加，難度值不可避免的增加。除了高昂的成本外，還容易受到中心化陷阱的影響，即一小部分算力強大/有錢的節點最終控制了整個系統。例如比特幣上的采礦池現象和壟斷了系統的巨型挖礦數據中心。

當前，相比PoW在能耗上有更優表現的替代方案被人們持續關注，然而大多數建議的替代方案要么依賴于特殊物理硬件的所有權，要么權衡系統的去中心化采用許可鏈的方案，后者是使用拜占庭協議（PBFT）的變體。PoW目前合理的替代方案是PoS（Proof-of-Stake），PoS中區塊領導者是根據其在區塊鏈系統中持有的資產數量來被選擇的。該方法背后的博弈論前提是，對擁有加密貨幣的節點，持有最大份額的節點有興趣對系統進行服務，來保持他的可信度和價值，從而激勵他們按照協議行事。與PoW相比，PoS承諾提供更加明晰和便宜的共識機制，但他需要將區塊鏈系統與加密貨幣捆綁在一起。并造成了“你擁有越多你控制的越多”或“你擁有的越多，你越合理擁有領導權”這樣富人越來越富的心態，導致系統進一步向中心化轉變。

使用信任去修補區塊鏈

 信任證明PoT，當網絡中出現更多可信的對等點時，目標是最小化在PoW上花費的能量。也就是說，安裝“您越受信任，您需要執行的工作就越少”的概念。“我們假設在應用場景中，區塊鏈旨在在協作以實現共同目標的對等體之間提供去中心化的服務，并且可以在各方之間表達信任，例如在健康或教育領域。這與當前以自我為中心的金融區塊鏈形成了鮮明的對比，在當前的金融區塊鏈中，被選為區塊領導者的唯一興趣和博弈論動機是賺取加密貨幣。

 在PoT結構中，參與系統的每個節點都單獨地表示對他認為可信任的其他節點的信任情況。這種信任不斷地被廣播，促使信任網絡以去中心化的方式興起，并存儲在區塊鏈中，為所有的參與者提供了一致性、防篡改的記錄（view）。PoT機制在仍然使用PoW的同時，保證只有一小部分參與其中，從而大大降低了功耗成本。

協議描述和問題定義

PoT 描述的參與者的信任值是以去中心化的方式計算和協商的，這些信任值將表示為節點在系統中所持有的權重（stake），作為共識機制的基礎。PoT的設計主要考慮了可驗證性和獨立性：

可驗證性：一旦一個節點證明其有資格成為下一個領導者，所有的節點都可以驗證這一聲明。

獨立性： 獨立性聲明領導者的被選舉權與區塊鏈有效性，可由任何節點使用公開可用的信息，無需他人協作的情況下進行驗證。

為了實現以上的目標，需要解決兩個主要問題：

1)定義一個去中心化的信任管理機制；

2)定義一個使用信任網絡的共識協議。

1.去中心化信任管理（Decentralized trust management）

信任建立基于信任模型，這類工作在很多文獻中已有。對于基于社區的信任，起始點通常是一個給定的信任網絡，該網絡編碼系統中誰信任誰，它通常被建模為一個有向圖，其中節點表示對等點（peer），邊表示它們之間的信任關系。一個節點在網絡中傳入的鏈接越多，它就越可信。信任網絡可以以多種形式出現，例如：

1)從社交網絡中提取；

2)從底層系統中節點之間的交互推斷而來；

3)被節點明確聲明他們信任誰。

在公開鏈模型中，唯一可行的選擇要么是跟蹤區塊鏈中節點之間交互的記錄，要么設立一個信任網絡，網絡中每個節點在沒餓過時期單獨地聲稱他信任誰。前一種選擇要求管理區塊鏈系統的節點同時也是產生和記錄事務的節點。

文章選擇了后一種方案，每個節點通過廣播信任關系宣布他們的信任節點，并由所有其他節點獨立收集信息，形成信任網絡。區塊鏈區塊大小的限制，使得PoT中區塊鏈僅記錄信任網絡的哈希值。每個時期，當前的區塊領導者是根據前一個階段中達成一致的信任網絡情況來選出來的。

2.基于信任的動態共識機制（Dynamics of a trust based consensus）

PoW盡管對能源的消耗十分巨大，但是在完全去中心化的系統中，PoW保持了良好的安全性和可操作性。更重要的是，提供了具有“保證時間窗口”的時鐘功能，實現了新的塊只有在前一個塊出現后才能出現，允許分布式系統在不需要全局同步的情況下有效地工作。因此文章沒有完全放棄PoW，而是信任等級越高的節點執行PoW時的難度值越低，信任等級越低則難度值越高。這將抑制不太受信任的節點加入PoW，使活躍的挖礦池被限制到更小的子集中。其中存在的風險是：1）可能會導致較小的信任子集中出現集中化的問題；2）難度值小的節點可能造成Sybil攻擊。因此，PoT采用了以下的策略：

1）領導節點信任衰竭策略

節點根據他們獲得的信任程度被分配到不同的小組。其成員根據可信等級對應的難度值進行挖礦，具有最高信任級別小組成員更有可能在區塊鏈中挖到礦，這埋下了信任網絡中頂層節點控制網絡的隱患，造成“富人更富”的現象，同時其他的節點沒有了升級的空間。衰竭策略會確保任何競爭到挖礦權的節點退回到低信任分區中。

2）新的信任關系采用阻尼策略

Sybil節點不能突然獲得系統中的高信任等級，應當給誠實節點有足夠的機會觀察和控制惡意節點。在PoT中，引入了一種控制機制，通過對新的信任鏈路采用一種阻尼策略來控制新節點信任度量的過程，節點的信任等級與他們所保持存活的時間長短成正比增長。

PoT結構建立在兩個主要機制上：

1) 衰退的信任機制，阻止區塊領導者潛在的惡意行為，防止網絡被一個小的頂層受信組織控制；

2) 網絡信任機制演變的控制機制，阻止惡意節點信任等級的升級的速度，給予其他節點充分的時間去檢測這樣的行為。

區塊鏈系統首先經歷一個自力更生的階段，通過對幾個塊僅實施純PoW共識。在每

個新的區塊中，網絡中的節點（礦工）單獨廣播自己發出的信任關系。新節點加入產生新的信任關系，這種關系服從一種阻尼策略，將他們在系統中存活時間作為權重給他們分配。阻尼策略使得新節點使用新的信任關系來增強它們的信任級別變得更慢。自力更生階段在協議定義的預設好的塊數后結束。共識從此由PoW轉變為PoT。

每個信任分區的節點都會遵循對應的PoW的困難系數來挖礦，當使用對應困難值找到PoW的解決答案時，節點宣布他的塊，其他節點驗證并接受該塊作為共識的一部分。如果同時有多個有效的塊被廣播，則規則是選擇信任等級最高的發布的塊。一旦一個塊被附加到區塊鏈中，那么塊所有權所屬的節點相對于初始信任值會呈指數衰減。

1. 信任網絡（The trust network）

信任網絡是由節點在網絡中，通過主動聲明信任連接所組成的。每個周期，信任網絡都表示為一個加權圖，節點是區塊鏈網絡中的節點，邊上的權值代表節點的存活時長。周期t所在的信任網絡為： ，其中

  ：節點的集合，SKi和VKi是節點的密鑰對；

  ：關系邊的集合，由節點vi來聲明和簽名的；

：函數，為每一條邊計算權重值

2. 區塊鏈部分（The Blockchain）

   定義1: 密碼散列函數 , 有效的PoW區塊被定義為一個三元組：

參數 ：區塊對應挖礦的難度值；

參數 ：前一個區塊的哈希值；

參數 ：PoW工作的隨機數答案；

參數 ：事務的負載。

3. PoT協議（The PoT protocol）

PoT協議除了PoW中事務負載和區塊頭元數據外，還包含節點提交給區塊的簽名，以及區塊所在時期信任網絡的摘要。

        1)信任分區（Trust divisions）

對每個節點，使用連續棄權函數（waiverfunction）實現難度值與輸入信任級別成反比。另一種方法是，節點被分配到符合一定信任范圍的組，每個小組所有成員在相同難度水平挖礦。挖礦和廣播的機制與PoW相同，但注意到網絡中的任何節點都可以毫不含糊地、一致地與其他節點一起檢索任何一個節點的信任值。

        2)信任衰退和恢復（Trust decay & recovery）

當節點vi在周期t時刻，獲得了某一個區塊的記賬權后，它的信任值會進行一個與它在周期t初始時刻信任值成正比例的快速衰退和緩慢恢復的過程。以防止節點vi持續保持高的信任等級，從而產生Sybil攻擊的隱患。這里引入了指數衰退函數：

N(0) 是時間0是衰減量的值， 是衰減常數。

在每一個周期t，信任衰減過程是由節點執行的，協議規則如下，衰減長度因子k，衰減常數 λ，當前周期t和當前區塊鏈作為輸入，從時間t開始對 k/λ 個區塊，衰減對應記賬權礦工的信任值。

3)對新邊的阻尼策略（Damping new edges）

一個節點與其他節點信任連接的權值與他們所加入網絡的時間成比例，防止節點過快地成為信任值最高的節點，分配規則如下：其中

4)PoT 有效區塊（Valid PoT block）

SKt 是節點vt的簽名， 是信任分區， 是 對應的難度等級，一個有效的PoT區塊滿足如下條件：

根據以上定義，總結PoT協議為，在每個周期 t開始時，假定網絡中所有節點都知道共識區塊鏈C的狀態，包括對上一個周期 t-1信任圖的信息。節點在t-1信任圖上執行信任算法，然后應用信任衰退機制，衰減最近奪得區塊記賬權的節點的信任。礦工找到PoW難題的答案，就將答案連通區塊 廣播到網絡中。如果這是一個有效的區塊，其他節點驗證后礦工將它附加到區塊鏈C上。如果是非有效的，那么回退到步驟3)，所有符合條件的節點繼續試圖找到難題的答案。

節點有可能同時監聽到多個有效的區塊，規定了此時接收最高信任節點發出的區塊作為結果值。此外，網絡延遲或連接網絡的動態特性，不同的節點接收到不同的區塊，此時會出現分叉現象，與PoW不同，采用信任最值得信賴的分支作為正確的主區塊鏈。

論文出處：Leila Bahri, Sarunas Girdzijauskas. Trust Mends Blockchains: Living up to Expectations, 2019 IEEE 39th International Conference on Distributed Computing Systems (ICDCS)

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