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针对Algorand所使用的密码相关技术细节进行介绍

發(fā)布時(shí)間：2023/12/13 编程问答 43 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了针对Algorand所使用的密码相关技术细节进行介绍小編覺(jué)得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

關(guān)鍵概念

VRF: 可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是：vrf,Proof = VRF(sk,seed)，sk為私鑰，seed為隨機(jī)種子；通過(guò)Verify(proof,pk,seed)驗(yàn)證vrf的合法性。
cryptographic sorition: 根據(jù)用戶本輪的VRF值，自身的權(quán)重以及公開(kāi)的區(qū)塊鏈信息，計(jì)算出某用戶本輪被選舉的sub-users個(gè)數(shù)，并提供相應(yīng)的證明
committee member: 見(jiàn)證人委員會(huì)，即使用cryptographic sortition選舉出的用戶集合。
FINAL共識(shí)：全網(wǎng)用戶對(duì)某一非空塊達(dá)成了共識(shí)。FINAL區(qū)塊及之前區(qū)塊所包含的交易均被確認(rèn)。
TENTATIVE共識(shí)：其他用戶可能對(duì)不同的區(qū)塊達(dá)成了共識(shí)。TENTATIVE區(qū)塊的交易需要在對(duì)之后的FINAL區(qū)塊達(dá)成共識(shí)后得到確認(rèn)。

基本假設(shè)

算法假設(shè)

誠(chéng)實(shí)用戶運(yùn)行bug-free的軟件。
節(jié)點(diǎn)可以自由地隨時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)，而且不需要申請(qǐng)。網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)公鑰的地址（這個(gè)地址同時(shí)也是錢(qián)包地址）進(jìn)行表示，對(duì)于新加入的節(jié)點(diǎn)地址，只有和網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)賬關(guān)系之后，才可以參與到網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)塊共識(shí)
攻擊者是動(dòng)態(tài)變化的，誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能變?yōu)楣粽?/li>
誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)所持Token的總數(shù)占比大于2/3，以避免區(qū)塊分叉與交易雙花。
強(qiáng)同步(strong synchrony)假設(shè)：大多數(shù)誠(chéng)實(shí)用戶（例如95%）發(fā)送的信息都能在一定的已知的時(shí)間范圍內(nèi)，被大多數(shù)誠(chéng)實(shí)的用戶接收。
弱同步(weak synchrony)假設(shè)：網(wǎng)絡(luò)在一定的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是異步的（例如完全被惡意方控制）。在異步階段之后，網(wǎng)絡(luò)一定會(huì)有一段合理時(shí)長(zhǎng)的強(qiáng)同步階段，在這一階段，Algorand可以確保算法安全。在此情況下，算法仍然安全但性能會(huì)受較大影響。
強(qiáng)同步時(shí)鐘：為了在弱同步情況下執(zhí)行恢復(fù)協(xié)議，所有節(jié)點(diǎn)需要同步本地時(shí)鐘，即本地時(shí)鐘應(yīng)當(dāng)足夠接近，使得所有節(jié)點(diǎn)執(zhí)行恢復(fù)協(xié)議的步調(diào)基本一致。

網(wǎng)絡(luò)假設(shè)

網(wǎng)絡(luò)消息傳播時(shí)間上限：固定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)固定比例的用戶的網(wǎng)絡(luò)傳播。
比如，比特幣：1KB消息，在1秒鐘內(nèi)完成全網(wǎng)95%的傳播，而1MB消息需要1.5分鐘完成全網(wǎng)95%的傳播。

總體概括

Algorand 采用可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)、POS （賬戶余額權(quán)重）以及新的拜占庭協(xié)議議定書(shū)（Byzantine Agreement Protocol，BA*）整合方式的共識(shí)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)提高TPS的同時(shí)，沒(méi)有犧牲去中心化和隱私性，并且擁有良好的擴(kuò)展性。

可驗(yàn)證的隨機(jī)函數(shù)：

Micali是可驗(yàn)證的隨機(jī)函數(shù)（verifiable random functions：VRF）的發(fā)明人之一，VRF是一種隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方式，每一個(gè)用戶，都能夠通過(guò)計(jì)算他們的私鑰和區(qū)塊鏈上公共信息的函數(shù)（VRF），獨(dú)立地判斷他是否當(dāng)選委員會(huì)的成員。這一過(guò)程是非互動(dòng)的，所以可以有效保證信息的隱私性和防止參與者被攻擊的可能性。
由于使用節(jié)點(diǎn)私鑰作為Input，VRF的結(jié)果無(wú)法被預(yù)測(cè)。其他節(jié)點(diǎn)只有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收到隨機(jī)結(jié)果后才能對(duì)其合法性進(jìn)行驗(yàn)證，即攻擊者在得知選舉結(jié)果時(shí)，選舉人已經(jīng)做出行動(dòng)了。
VRF的輸出值除了隨機(jī)值外，還包含一個(gè)proof，提供了隨機(jī)值驗(yàn)證的零知識(shí)證明，即不必知道某人私鑰即可證明該隨機(jī)值是由某人產(chǎn)生的。
Algorand 利用 VRF 來(lái)選擇區(qū)塊生產(chǎn)者和驗(yàn)證者，保證所有共識(shí)參與者都是隨機(jī)地、公平地被選出的。可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)（VRF，Verifiable Random Function）是由 Micali 教授等提出的一種偽隨機(jī)函數(shù)，和普通的隨機(jī)函數(shù)一樣，對(duì)于不同輸入，其輸出也具有隨機(jī)性（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是“偽隨機(jī)”）。其獨(dú)特之處在于調(diào)用者可以提供一個(gè)證明，表明這個(gè)隨機(jī)輸出確實(shí)由該調(diào)用者產(chǎn)生。
VRF 可以有多種實(shí)現(xiàn)方式，Micali 等人在其原始論文中提供了一種較復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)方式。Algorand 利用哈希函數(shù)和數(shù)字簽名的特性，提供了一種較為簡(jiǎn)單的 VRF 實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)方式是調(diào)用者 i 將輸入 m 通過(guò)數(shù)字簽名和哈希函數(shù)映射為固定長(zhǎng)度的輸出 H[SIGi(m)],即 m -> H[SIGi(m)]。
對(duì)于任何輸入 m，不同的調(diào)用者 i 生成的數(shù)字簽名 SIGi(m) 都是唯一的；而對(duì)于不同輸入，哈希函數(shù) H 的輸出具有隨機(jī)性，因此上述映射符合 VRF 的”隨機(jī)性“要求。同時(shí)，由于 i 的數(shù)字簽名 SIGi(m) 可通過(guò)其公鑰對(duì)其身份進(jìn)行驗(yàn)證，因此其也符合 VRF ”可驗(yàn)證“ 的特性，SIGi(m) 就是 VRF 中提到的”證明“。

具體內(nèi)容詳解

隨機(jī)選出每一輪的區(qū)塊生產(chǎn)者（Leader）

每一輪共識(shí)開(kāi)始時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)以下 VRF 獨(dú)立地驗(yàn)證自己是否是潛在的 leader：
.H[SIG(r, 1, Q(r-1))] <= 1 / SIZE(PK(r-k))
其中，H 是哈希運(yùn)算；SIG 是簽名運(yùn)算；r 是目前的輪次；Q(r-1) 為與 r-1 輪的種子；SIZE(PK(r-k)) 是在 r-k 輪所有符合要求的公鑰的數(shù)量（k 為回溯系數(shù)）；公式開(kāi)始的 . 表示將哈希結(jié)果轉(zhuǎn)化為小數(shù)位，從而保證結(jié)果為[0,1)的某個(gè)值。
節(jié)點(diǎn)通過(guò)自己的私鑰計(jì)算上面簽名的哈希值是否符合要求，從而知道自己是否屬于候選的 leader，在此過(guò)程中無(wú)需和其他節(jié)點(diǎn)交換信息。由于哈希函數(shù)輸出的隨機(jī)性，可以認(rèn)為符合要求的候選節(jié)點(diǎn)都是隨機(jī)選出的。候選節(jié)點(diǎn)隨后可以生成新區(qū)塊，并向全網(wǎng)提供簽名證實(shí)自己的身份。如果有多個(gè)候選 leader，最終上述哈希值最小的 leader 將在后續(xù)的共識(shí)中成為本輪最終的 leader。Leader 產(chǎn)生的區(qū)塊 Br 包含了本輪的所有交易和上述的證明信息，由驗(yàn)證組成員進(jìn)行共識(shí)驗(yàn)證。

隨機(jī)選出每一輪每一階段的驗(yàn)證組

驗(yàn)證組成員的選擇與上述過(guò)程類(lèi)似，在每一輪和每一階段（step），所有節(jié)點(diǎn)都可以獨(dú)立驗(yàn)證自己是否屬于驗(yàn)證組成員：
.H[SIG(r, s, Q(r-1))] <= n / SIZE(PK(r-k))
其中 s 為本輪所處的不同階段，Algorand 在每一輪的各個(gè)階段都有不同的驗(yàn)證組，從而進(jìn)一步保證安全性；n 為預(yù)期的驗(yàn)證組成員數(shù)量，可以人為設(shè)定；其他參數(shù)含義與候選 leader 一樣，每一階段的驗(yàn)證組成員均隨機(jī)選出，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)在證實(shí)自己身份后，可以開(kāi)始參與共識(shí)驗(yàn)證過(guò)程，揭露自己的簽名即可證明其身份。

引入權(quán)益證明（Proof-of-Stake，PoS）機(jī)制

上述的隨機(jī)選擇過(guò)程沒(méi)有考慮 Token 持有者的權(quán)重，惡意節(jié)點(diǎn)可能通過(guò)大量生成有效私鑰從而有極大概率成為區(qū)塊的生產(chǎn)者和驗(yàn)證者。Algorand 在其公布的實(shí)現(xiàn)建議中引入了名為 Honest Majority of Money （HMM）的條件假設(shè)，其基本思想來(lái)源于 PoS 共識(shí)機(jī)制，即在上述隨機(jī)選擇過(guò)程中引入代幣持有量（Stake）作為權(quán)重，持有量多的節(jié)點(diǎn)被選中的概率較高，而代幣持有者往往更傾向于保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全性。
具體可以表示為如下公式：.H[SIG(r, 1, Q(r-1))] <= (a(i,r) / M) * (1 / SIZE(PK(r-k)))
其中，a(i,r) / M 為節(jié)點(diǎn)所持有的幣的數(shù)量占代幣總數(shù) M 的權(quán)重。其余過(guò)程與前面描述一直。

純粹股權(quán)證明PurePoS

正如上面所述，一小部分資金的所有者不可能損害整個(gè)系統(tǒng)，而且大多數(shù)資金的所有者作惡，使自己的資產(chǎn)貶值將是十分愚蠢的。
例如，在PoW或BPoS中，少數(shù)用戶就可以阻止其他用戶進(jìn)行交易。在Algorand，只有大部分資金的所有者才能阻止其他用戶進(jìn)行交易。但如果他們這樣做，聲譽(yù)將受到極大的損害，資金將不再被普遍接受，其購(gòu)買(mǎi)力將大大降低。對(duì)于大多數(shù)資金的所有者來(lái)說(shuō)，這并不是一個(gè)好的結(jié)果。

PPos如何出塊

在Algorand一個(gè)新的區(qū)塊分為兩個(gè)階段：?

在第一階段，隨機(jī)選擇一個(gè)Token，其所有者就是下一個(gè)塊提議者。
在第二階段，從當(dāng)前系統(tǒng)中的所有通證中選擇1000個(gè)Token。
這1000個(gè)Token的所有者被選為第2階段委員會(huì)的一部分，該委員會(huì)批準(zhǔn)第一個(gè)用戶提出的區(qū)塊。
因此，委員會(huì)的一些成員可以被選擇兩次或更多次，通常是k次，在這種情況下，該成員將在委員會(huì)中擁有k票以批準(zhǔn)下一個(gè)區(qū)塊。

第二階段是十分必要的

在任何社會(huì)中，區(qū)塊鏈也不例外，總有一小部分壞人被發(fā)現(xiàn);比如1％。也許2％。如果一個(gè)人不幸生活在一個(gè)非常危險(xiǎn)的社會(huì)中，那么10％的人可能是壞人，也許甚至20％！但只要大多數(shù)成員遵守規(guī)定的規(guī)則，就會(huì)存在一個(gè)穩(wěn)定和諧的社會(huì)。
假設(shè)Algorand中10％的代幣屬于不誠(chéng)實(shí)的人。然后在階段1中，十分之一選擇提議塊的用戶可能是壞演員。因此，他可以告訴一些用戶該塊是X，而告訴其他用戶該塊是Y等等，從而產(chǎn)生關(guān)于區(qū)塊的意見(jiàn)分歧。
階段2消除了這個(gè)問(wèn)題。實(shí)際上，如果你選擇隨機(jī)的1000個(gè)代幣，當(dāng)最多10％的代幣是不誠(chéng)實(shí)的手牌時(shí)，大多數(shù)所選硬幣屬于不良參與者的概率，即委員會(huì)大多數(shù)投票是糟糕的演員的概率是如此之低，以至于可以忽略不計(jì)。

誰(shuí)來(lái)進(jìn)行隨機(jī)選擇委員會(huì)

Algorand采取的方式：委員會(huì)成員選擇自己。你可能會(huì)想“什么？這是一個(gè)糟糕的主意！因?yàn)槿绻沂且粋€(gè)壞人，我會(huì)選擇自己成為這個(gè)委員會(huì)的成員。接下來(lái)。那之后......“但不是那么快。
要想屬于委員會(huì)，你的一枚代幣必須獨(dú)立贏得這個(gè)機(jī)會(huì)，像加密地公平的彩票，你可以在你自己的計(jì)算機(jī)隱私中獨(dú)立運(yùn)行?-?也就是說(shuō)，不與任何其他人交談。而且由于彩票是加密公平的，你不能改變被選中的機(jī)會(huì)。（即使是擁有巨大算力資源的民族國(guó)家，也無(wú)法增加被選中的概率。）
為了在假設(shè)10,000,000,000個(gè)通證中選擇1,000個(gè)隨機(jī)通證，每個(gè)代幣以概率1,000 /10,000,000,000被選擇?-?即，概率為1千萬(wàn)分之一。

我可以獲得多少票

（如果用戶有n個(gè)通證，額外的算法技術(shù)基本上運(yùn)行一個(gè)整張彩票，而不是n個(gè)單獨(dú)的彩票！）一旦用戶運(yùn)行她的抽獎(jiǎng)，就會(huì)出現(xiàn)兩種情況之一。

要么所有代幣都沒(méi)有贏得彩票，在這種情況下，用戶對(duì)該區(qū)塊表達(dá)何種意見(jiàn)都將被忽略。
或者其中一些k> 1的代幣贏得了彩票，在這種情況下，用戶獲得了一張中獎(jiǎng)彩票，即一個(gè)簡(jiǎn)短的證明，即每個(gè)人都可以很容易地證明此用戶在委員會(huì)中有k票。在后一種情況下，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播：證明用戶有k票的中獎(jiǎng)票 ?以及該用戶對(duì)該票的意見(jiàn)。

例子

這里具體舉例說(shuō)明一下：假設(shè)網(wǎng)絡(luò)里總共有100萬(wàn)個(gè)幣，要從中選1000個(gè)做委員. 那么每個(gè)幣被選中的概率是千分之一。?我如果有100個(gè)幣，等于我參選了100次，每次千分之一。你如果有10000次，就等于參選了10000次。這些次選擇都是獨(dú)立的，所以有可能你有多次被選中，我也有多次被選中，只是我的概率比你低。
但是每次都是千分之一的概率，那么你有100個(gè)token被選中的概率是千分之一的100次方乘以一個(gè)二項(xiàng)式的系數(shù)，概率極低。

偽代碼

入?yún)⒔忉?/span>

·sk: 用戶私鑰
·seed: 選舉所用的種子信息
·role: 當(dāng)前所選舉的身份信息
·τ: 期望選舉的子用戶sub-users數(shù)量
·w: 用戶的權(quán)重
·W: 全網(wǎng)總權(quán)重

介紹

為了防止女巫攻擊，Algorand使用二項(xiàng)分布作為概率分布函數(shù)，原因是B(k1+k2;w1+w2,p) = B(k1;w1,p) + B(k2;w2,p)，即從概率上來(lái)說(shuō)，無(wú)法通過(guò)拆分token來(lái)提高被選中子用戶的數(shù)量。
某用戶的子用戶數(shù)量j數(shù)量大于0，即表示該用戶被選為committee member（見(jiàn)證人委員會(huì)）

選舉驗(yàn)證：

選舉證明算法如下，用于判斷某用戶的VRF值是否合法，且在當(dāng)前輪次與步驟下是否被選舉為committee member。該函數(shù)在CommitteeVote中被使用到

如何選取種子

在Algorand中，seed作為區(qū)塊的一個(gè)字段，第r輪的seed由第r-1輪區(qū)塊的seed所決定
計(jì)算公式如下:<seed(r),π> = VRF(sk,seed(r?1)||r).
為了限制攻擊者操縱選舉的能力，選舉算法中所用的seed會(huì)每隔R輪刷新一次，即seed(r) = seed(r-1-(r mod R))。

選擇早先于seed的私鑰

上述機(jī)制對(duì)用戶的私鑰sk選擇提出了新的要求：由于seed在固定R輪中不變，這使得惡意用戶可以通過(guò)嘗試不同私鑰來(lái)控制VRF值。Algorand要求用戶的私鑰是在區(qū)塊r-1-(r mod R)之前生成的，論文中提出的方案是使用距離區(qū)塊r-1-(r mod R)早b個(gè)時(shí)間單位的最近區(qū)塊所使用的密鑰對(duì)。

新的拜占庭協(xié)議議定書(shū)B(niǎo)A*：

BA* 是一種高度可擴(kuò)展性極強(qiáng)，遠(yuǎn)超目前拜占庭協(xié)議書(shū)的鏈上共識(shí)，在這個(gè)過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)連續(xù)性提出出塊建議，并且直到權(quán)重最高的快被選出為止。
由下圖可知，BA* 協(xié)議也可以理解為兩步驟：第一步，同步確定擁有最大優(yōu)先級(jí)的區(qū)塊，即驗(yàn)證者對(duì)區(qū)塊運(yùn)行分級(jí)共識(shí)協(xié)議，選出驗(yàn)證者共識(shí)最多的候選區(qū)塊。第二步，確定該區(qū)塊是否擁有穩(wěn)定共識(shí)的能力，即驗(yàn)證者對(duì)上一階段選出的候選區(qū)塊，進(jìn)行二元拜占庭協(xié)議驗(yàn)證，要么接受他，要么接受空的區(qū)塊。

BA*共識(shí)又被細(xì)化為兩個(gè)重要的子算法：

Reduction

在Block Proposal階段，不同的誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲等因素，會(huì)收集到不同優(yōu)先級(jí)的區(qū)塊，其所觀察到的最高優(yōu)先級(jí)區(qū)塊可能不同。因此，它們傳入BA算法的區(qū)塊也會(huì)不同。因此在做拜占庭共識(shí)之前，先執(zhí)行Reduction*，在全網(wǎng)對(duì)哪個(gè)區(qū)塊的優(yōu)先級(jí)最高這一問(wèn)題進(jìn)行投票并達(dá)成共識(shí)，將N個(gè)潛在的區(qū)塊收斂為至多1個(gè)非空區(qū)塊。

具體步驟

檢查自己是否為committee member，若是則對(duì)自己提案的區(qū)塊投票。
等待λblock + λstep的超時(shí)時(shí)間，收集網(wǎng)絡(luò)用戶的投票。
一旦某區(qū)塊的投票數(shù)超過(guò)了T*τ的閾值，則認(rèn)為全網(wǎng)大部分誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)在該區(qū)塊達(dá)成共識(shí)，再對(duì)該區(qū)塊投票；若在執(zhí)行上一步等待λblock + λstep時(shí)間的時(shí)候超時(shí)，則對(duì)空塊投票。
等待λstep的超時(shí)時(shí)間，收集網(wǎng)絡(luò)用戶投票，并返回最終得到的區(qū)塊。

Q&A

Q：為什么要進(jìn)行兩次投票？

A：第一次投票（步驟2）用于對(duì)大多數(shù)節(jié)點(diǎn)所看到的最高優(yōu)先級(jí)區(qū)塊達(dá)成共識(shí)，類(lèi)似于prepare階段；第二次投票（步驟3、4）用于對(duì)第一次投票的共識(shí)結(jié)果進(jìn)行共識(shí)，表示大多數(shù)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)對(duì)某新區(qū)塊達(dá)成共識(shí)，類(lèi)似于commit階段。

Q：CommitteeVote函數(shù)中為何要傳入不同的step？（REDUCTION_ONE與REDUCTION_TWO）

A：每個(gè)用戶的vrf值，round和step均為選舉算法的隨機(jī)種子，影響著用戶是否能被選舉為committee member。這里對(duì)Reduction的兩次投票引入了一定的隨機(jī)性，使得兩次投票的用戶不同。若兩次投票用戶均為同一批，惡意方可以在兩次投票之間的時(shí)間間隙，對(duì)第一次投票的用戶進(jìn)行攻擊（因?yàn)榈谝淮瓮镀焙笠呀?jīng)暴露了投票人是誰(shuí)），從而危及算法安全性。

BinaryBA*

BinaryBA* 算法對(duì)Reduction過(guò)程收斂的區(qū)塊進(jìn)行多次投票，在網(wǎng)絡(luò)狀況良好的情況下在第一步即可達(dá)成FINAL共識(shí)。
1，step=1時(shí)，用戶對(duì)Reduction得到的區(qū)塊hash進(jìn)行投票，并收集票數(shù)。若超時(shí)，則保持原區(qū)塊hash，進(jìn)入步驟2；若不超時(shí)且投票結(jié)果為非空塊，則再對(duì)該hash投票3次，并投出FINAL步驟的票（意為當(dāng)前用戶已達(dá)成FINAL共識(shí)），返回該區(qū)塊hash。
2，繼續(xù)對(duì)上一步驟中得到的區(qū)塊hash投票并收集票數(shù)。若超時(shí)，則將hash置為空塊hash，并進(jìn)行步驟3；若得到空塊，則連續(xù)投票3次并返回空塊hash。
3，繼續(xù)對(duì)上一步驟中得到的區(qū)塊hash投票并收集票數(shù)。若超時(shí)，則執(zhí)行“拋硬幣”算法，有50%的概率將hash置為原先的區(qū)塊hash或空塊hash。若否，則將hash置為投票結(jié)果。最后重復(fù)步驟1。

Q&A

Q: 在每輪算法的前兩步中達(dá)成共識(shí)，為何在return之前要連續(xù)投票3次？

A: 在公網(wǎng)環(huán)境下，若有很多誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)在某一步達(dá)成共識(shí)并返回，而其余誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)由于網(wǎng)絡(luò)延遲，在給定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收集到足夠的票數(shù)，從而超時(shí)進(jìn)入下一輪。此時(shí)在接下來(lái)的step中很可能沒(méi)有足夠的committee member進(jìn)行投票，使得這些節(jié)點(diǎn)始終無(wú)法對(duì)區(qū)塊達(dá)成共識(shí)。Algorand對(duì)這一問(wèn)題的解決方案是：在某用戶達(dá)成共識(shí)并結(jié)束算法之前，預(yù)先對(duì)該區(qū)塊hash進(jìn)行后三步的投票。在還未達(dá)成共識(shí)的用戶看來(lái)，這些已達(dá)成共識(shí)的節(jié)點(diǎn)仍然參與了后三步（后一輪）的投票。

Q: 為何設(shè)計(jì)CommonCoin拋硬幣算法？

A: 避免在網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的情況下，攻擊者有機(jī)會(huì)給不同的用戶發(fā)送對(duì)不同hash的投票（或故意不投），使它們對(duì)不同區(qū)塊達(dá)成共識(shí)。同時(shí)CommonCoin加速了BBA的收斂過(guò)程。根據(jù)CommonCoin的算法特性，誠(chéng)實(shí)用戶的比例最壞為2/3，經(jīng)過(guò)CommonCoin得到block_hash和empty_hash概率均為為1/2，因此每經(jīng)過(guò)一次CommonCoin，全網(wǎng)達(dá)成共識(shí)的概率為(2/3)*(1/2) = 1/3。則全網(wǎng)用戶在第i輪達(dá)成共識(shí)的概率為((2/3)^(i-1))*(1/3)。達(dá)成共識(shí)的期望總輪數(shù)為i*((2/3)^(n-1)*(1/3))的無(wú)窮級(jí)數(shù)，即極限為3。因此，通過(guò)拋硬幣，在最壞情況下，全網(wǎng)達(dá)成共識(shí)的期望輪數(shù)為3，期望步驟數(shù)為2+3*3=11

改進(jìn)的二元拜占庭協(xié)議 BBA*

Algorand 引入的 BBA* 是一個(gè)改進(jìn)的二元拜占庭協(xié)議（所謂二元，即只能達(dá)成 0 或 1 兩種共識(shí)）。BBA* 可以在誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)超過(guò) ? 的情況下，快速達(dá)成共識(shí)。其具體過(guò)程是一個(gè) 3 步循環(huán)，循環(huán)中每一步都有 ? 的概率達(dá)成共識(shí)。
節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行 P2P 通信，假設(shè)被選中的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)中有 t 個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)，驗(yàn)證組總的節(jié)點(diǎn)數(shù)為 n >= 3t + 1，即惡意節(jié)點(diǎn)不超過(guò) ? 。協(xié)議過(guò)程如下：

所有驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)i都有一個(gè)初始值 bi（bi = 0 或 1），協(xié)議開(kāi)始時(shí)，每個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)都會(huì)向其他驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)發(fā)送各自的初始值，

協(xié)議第一步（Step 1）是歸 0 過(guò)程：

如果某驗(yàn)證節(jié)點(diǎn) i 收到 0 的總數(shù)超過(guò)總驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)數(shù)的 ? ，輸出共識(shí)結(jié)果為 0，共識(shí)結(jié)束，不再執(zhí)行后面所有步驟
如果某驗(yàn)證節(jié)點(diǎn) i 收到 1 的總數(shù)超過(guò)總驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)數(shù)的 ?，則該驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)把自己的 bi 設(shè)為 1
如果收到的 0 或 1 都沒(méi)超過(guò) ?，則驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)把自己的 bi 設(shè)為 0
第一步結(jié)束節(jié)點(diǎn)再次向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送各自的 bi

第二步（Step 2）為歸 1 過(guò)程：

如果某驗(yàn)證節(jié)點(diǎn) i 收到 1 的總數(shù)超過(guò)總驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)數(shù)的 ? ，輸出共識(shí)結(jié)果為 1，共識(shí)結(jié)束，不再執(zhí)行后面所有步驟
如果某驗(yàn)證節(jié)點(diǎn) i 收到 0 的總數(shù)超過(guò)總驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)數(shù)的 ?，則該驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)把自己的 bi 設(shè)為 0
如果收到的 0 或 1 都沒(méi)超過(guò) ?，則驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)把自己的 bi 設(shè)為 1
第二步結(jié)束節(jié)點(diǎn)再次向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送各自的 bi

第三步（Step 3）為重新設(shè)定初始值的過(guò)程：

如果某驗(yàn)證節(jié)點(diǎn) i 收到 0 的總數(shù)超過(guò)總驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)數(shù)的 ?，設(shè)定 bi = 0
如果某驗(yàn)證節(jié)點(diǎn) i 收到 1 的總數(shù)超過(guò)總驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)數(shù)的 ?，設(shè)定 bi = 1
如果收到的 0 或 1 都沒(méi)超過(guò) ?，則每個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)某個(gè)和本輪本階段相關(guān)的信息進(jìn)行簽名，并對(duì)簽名求哈希。bi 被設(shè)置為這些哈希值中最小哈希的最低有效位（仍然是 0 或 1）
之后返回第一步，直到達(dá)成共識(shí)
在 Algorand 中， BBA* 的結(jié)果是對(duì)是否接受某個(gè)區(qū)塊達(dá)成共識(shí)，共識(shí)結(jié)果只有接受（0）或拒絕（1）兩種情況。

分級(jí)共識(shí)協(xié)議 GC

上述 BBA* 只適用于二元情況，當(dāng)需要對(duì)任意值達(dá)成共識(shí)，需要引入分級(jí)共識(shí)協(xié)議，將任意值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二元問(wèn)題：

Algorand 采用的 GC 分為兩步（上圖來(lái)自 Algorand 白皮書(shū)，為了和文中其他部分對(duì)應(yīng)，將兩個(gè)步驟命名為 Step 2 和 3），協(xié)議開(kāi)始時(shí)，每個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)i各自都有一個(gè)初始值 vi（在 Algorand 中即候選的新區(qū)塊的哈希）\
第一步（Step 2），所有驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)將各自的 vi 發(fā)給其他所有驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)；
第二步（Step 3），對(duì)于某個(gè)x值，當(dāng)且僅當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到其他驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)該 x 值的總次數(shù)（多次收到同一節(jié)點(diǎn)發(fā)送的x值，只算一次）超過(guò)總驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)數(shù)的 ? 時(shí)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送值 x：

經(jīng)過(guò) GC，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)輸出一個(gè)值對(duì) (vi, gi)，輸出規(guī)則：

當(dāng)收到 x 的總次數(shù)超過(guò)總驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)數(shù)的 ? 時(shí)，設(shè)定 vi = x， gi = 2；
當(dāng)收到 x 的總次數(shù)超過(guò)總驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)數(shù)的 ? 時(shí)，設(shè)定 vi = x， gi = 1；
否則，設(shè)定 vi = 空， gi = 0；
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，分級(jí)共識(shí)的作用是從多個(gè)可能的候選新區(qū)塊中選擇被大多數(shù)認(rèn)可的一個(gè)作為最終候選的區(qū)塊，再通過(guò)上面的 BBA* 最終達(dá)成共識(shí)。

BA* = GC + BBA*

改進(jìn)的拜占庭協(xié)議 BA*? 結(jié)合了上述 GC 和 BBA*，先通過(guò) GC 把任意值問(wèn)題（從多個(gè)區(qū)塊中選擇一個(gè)候選）轉(zhuǎn)化為二元問(wèn)題（接收或拒絕新區(qū)塊？），再利用 BBA* 達(dá)成快速二元拜占庭共識(shí)，從而可以快速對(duì)任意值達(dá)成共識(shí)，其共識(shí)過(guò)程如下：

?BA* 的第一步，和第二步，所有驗(yàn)證節(jié)點(diǎn) i 執(zhí)行分級(jí)共識(shí) GC，各自得到一個(gè)關(guān)于新區(qū)塊的數(shù)值對(duì) (vi, gi)，其中 vi 為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn) i 認(rèn)為的候選區(qū)塊哈希（有可能為空），gi = 0 或 1 或 2 。
第三步，所有驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)根據(jù)各自的 (vi, gi) 設(shè)定 BBA* 的初始值，如果 gi = 2，則設(shè)定初始值為 0，如果 gi = 0 或 1，則設(shè)定初始值為 1 。之后進(jìn)行BBA* 共識(shí)過(guò)程：
若共識(shí)結(jié)果為 0，則最終輸出結(jié)果為 vi（非空新區(qū)塊）
若共識(shí)結(jié)果為 1，則最終輸出結(jié)果為空（即新區(qū)塊為空）
無(wú)論哪種情況，BA* 都可以在驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)中達(dá)成共識(shí)，從而確定新區(qū)塊及其包含的交易（有可能為空區(qū)塊）。

?Algorand 區(qū)塊鏈分叉的可能性

Algorand 實(shí)際采用的是經(jīng)典拜占庭共識(shí)的升級(jí)版 BA*，它和以比特幣為代表的中本聰共識(shí)的最大區(qū)別在于分叉的可能性。后者由于完全去中心化，節(jié)點(diǎn)之間無(wú)法完全通信，因此可能僅在部分節(jié)點(diǎn)間達(dá)成共識(shí)，容易發(fā)生分叉。
Algorand 可以通過(guò)設(shè)定最大可接受的錯(cuò)誤概率 F 調(diào)整分叉的概率。在 Algorand 提供的兩種實(shí)現(xiàn)中，其分叉概率分別為 10^-12 和 10^-18，在現(xiàn)實(shí)中分叉僅存在理論上的可能，但是這個(gè)概率賊低，假設(shè) Algorand 每秒生成一個(gè)區(qū)塊，10^-18 的概率意味著從宇宙大爆炸至今的時(shí)間內(nèi)，只有可能發(fā)生一次分叉，可見(jiàn)其概率極低。
即使真的發(fā)生分叉，Algorand 仍可以從分叉中恢復(fù)：

Algorand 遵守中本聰共識(shí)中的最長(zhǎng)鏈法則

如果有多條最長(zhǎng)鏈，則選擇包含非空區(qū)塊的最長(zhǎng)鏈

如果仍相同，則可以具體根據(jù)區(qū)塊哈希值進(jìn)行排序選擇

Algorand 如何保證安全性

種子Q(r)

Algorand 中的隨機(jī)性主要靠 VRF 保證，每輪隨機(jī)的選出 leader 及驗(yàn)證組。一個(gè)比較直接的想法是把上一區(qū)塊 B(r-1) 作為隨機(jī)函數(shù)的輸入。但這種方法將給惡意節(jié)點(diǎn)帶來(lái)一定的優(yōu)勢(shì)：因?yàn)閰^(qū)塊和其包含的交易高度相關(guān)，惡意節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)調(diào)整區(qū)塊中包含的交易集，獲得多個(gè)輸出，并選擇對(duì)其最有利的交易集產(chǎn)生新區(qū)塊，從而提高自己在下一輪中成為 leader 或驗(yàn)證組的概率。
為解決這一問(wèn)題，Algorand 引入了一個(gè)隨機(jī)的、不斷更新的種子參數(shù) Q(r)，Q(r) 與交易集本身相互獨(dú)立，因此惡意節(jié)點(diǎn)無(wú)法通過(guò)調(diào)整交易集而獲利。當(dāng)區(qū)塊非空時(shí)，Q(r) = H(SIG(Q(r-1),r) （其中，SIG 為本輪 leader 的簽名）; 當(dāng)區(qū)塊為空時(shí)，Q(r) = H(Q(r-1),r)
可以看出，Q(r) 在每一輪都發(fā)生變化，且與交易本身無(wú)關(guān)。可以證明，當(dāng) Q(r-1) 是隨機(jī)的，則 Q(r) 也是隨機(jī)的。因此惡意節(jié)點(diǎn)無(wú)法通過(guò)改變交易集影響下一個(gè)種子的生成。其中，Q(1)的定義沒(méi)有在相關(guān)文獻(xiàn)中找到。

回溯系數(shù)K

種子參數(shù)降低了惡意節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè) leader 的可能性，但擁有多個(gè)潛在 leader 的惡意節(jié)點(diǎn)仍可以有比普通節(jié)點(diǎn)更高的概率成為下一個(gè)區(qū)塊的 leader，但這個(gè)概率會(huì)隨著區(qū)塊的變多而逐漸變小。因此，Algorand 引入了一個(gè)回溯系數(shù) k，第 r 輪的候選組只從 r-k 輪已存在的候選組中選取，惡意節(jié)點(diǎn)在 r-k 輪能夠影響第 r 輪候選組的概率極低。

一次性公鑰

Algorand 從協(xié)議層面的分叉僅在理論上可能發(fā)生。在實(shí)際中，如果惡意節(jié)點(diǎn)可以挾持其他節(jié)點(diǎn)，仍可以在驗(yàn)證組被公開(kāi)的瞬間，強(qiáng)制這些節(jié)點(diǎn)重新簽名新的區(qū)塊，從而產(chǎn)生短暫的分叉。Algorand 引入了一種一次性公鑰的機(jī)制，以杜絕這種可能性。
具體原理是所有節(jié)點(diǎn)在加入 Algorand 網(wǎng)絡(luò)時(shí)（即發(fā)生第一筆交易時(shí)），都生成足夠多的一次性公鑰，并公布。這些公鑰將用作后續(xù)所有輪次的簽名驗(yàn)證，并且每個(gè)公鑰只使用一次，一旦被使用后就銷(xiāo)毀。一次性公鑰的生成過(guò)程需要一定的時(shí)間，在 Algorand 的典型實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)新節(jié)點(diǎn)需要約 1 小時(shí)來(lái)生成未來(lái) 10^6 輪的所有公鑰（約 180 MB 數(shù)據(jù)）。雖然這增加了節(jié)點(diǎn)加入時(shí)的門(mén)檻，但可以從根本上杜絕上述分叉攻擊：因?yàn)橐坏┖灻瓿?#xff0c;公鑰即被銷(xiāo)毀，即使被惡意節(jié)點(diǎn)劫持，也無(wú)法再次簽名產(chǎn)生分叉。

Algorand 的可擴(kuò)展性

對(duì)于目前大多數(shù)去中心化區(qū)塊鏈，如比特幣，以太坊以及 Qtum 等，可擴(kuò)展性的主要瓶頸在于所有鏈上計(jì)算都要進(jìn)行全網(wǎng)驗(yàn)證，而達(dá)成全網(wǎng)共識(shí)往往需要一定的時(shí)間。Algorand 采用 PoS+VRF 機(jī)制進(jìn)行隨機(jī)選擇區(qū)塊生產(chǎn)者和驗(yàn)證者，無(wú)論網(wǎng)絡(luò)中有多少節(jié)點(diǎn)，每一輪都只需要在少數(shù)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行驗(yàn)證，大大提高了共識(shí)速度，提高可擴(kuò)展性。同時(shí)，Algorand 還采用了改進(jìn)的拜占庭共識(shí) BA*，該協(xié)議可以減少共識(shí)節(jié)點(diǎn)之間的通信量，從而進(jìn)一步提高共識(shí)速度。
此前 Algorand 發(fā)布了其性能測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，在 1000 臺(tái) EC2 服務(wù)器（AWS 虛擬云服務(wù)器）、500,000 用戶場(chǎng)景下，Algorand 網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)時(shí)間穩(wěn)定為 1 分鐘，吞吐量約為比特幣網(wǎng)絡(luò)的 125 倍。（比特幣約為 7 TPS）且吞吐量不會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的變多而明顯下降。

賬戶余額權(quán)重：

Algorand算法中的節(jié)點(diǎn)都有權(quán)重（weight），該權(quán)重和賬戶的余額成正比。

上圖中的t是選中的賬戶余額閥值，w=賬戶余額/賬戶余額閥值，也就是說(shuō)w是賬戶中可以分割成多少個(gè)賬戶余額閥值。利用多項(xiàng)式分布B(k;w,p)，計(jì)算出hash對(duì)應(yīng)的比例在哪個(gè)區(qū)間內(nèi)，則最后選中的次數(shù)就是多少，也就是最后的j的數(shù)值。

加密抽簽算法：

在百萬(wàn)級(jí)別使用用戶的量級(jí)下，如何依然能維持快速有效的的拜占庭共識(shí)，其主要手段是避免所有用戶參與驗(yàn)證，那么減少驗(yàn)證者同樣可能帶來(lái)安全性的不足，如何平衡兩者使得在大量節(jié)點(diǎn)中提取可靠維持共識(shí)效率的驗(yàn)證人是關(guān)鍵。加密抽簽算法就是用來(lái)解決這個(gè)隨機(jī)選擇問(wèn)題的，他提供了一種私密隨機(jī)并可驗(yàn)證的驗(yàn)證人篩選方法。
抽簽其實(shí)是一種隨機(jī)方式，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間如何不存在事先商議的情況下自動(dòng)產(chǎn)生隨機(jī)驗(yàn)證人是需要用心構(gòu)思的技巧。
Algorand的解決方式中，主要有兩點(diǎn)：1、用戶私鑰參與運(yùn)算的隨機(jī)特征值產(chǎn)生算法函數(shù)，該函數(shù)產(chǎn)生與上一區(qū)塊相關(guān)，私鑰的保密性，使得參與隨機(jī)運(yùn)算后的結(jié)果存在不可預(yù)測(cè)性；2、將運(yùn)算后的特征值映射到（0,1）數(shù)值區(qū)間內(nèi)，對(duì)比特征值數(shù)值最小的作為提塊人，按照特定規(guī)則從特征值中選取出驗(yàn)證群體，并且在此時(shí)驗(yàn)證人的選取是在其不可知的情況下被選擇的，只有當(dāng)區(qū)塊組裝完成后，驗(yàn)證人會(huì)同時(shí)將自己生成的驗(yàn)證憑證（用來(lái)證明自己是在秘密抽簽中被合法選中的驗(yàn)證人）一并廣播出去，在這之后其他用戶可驗(yàn)證當(dāng)前驗(yàn)證人是否合法。
Algorand采用了VRF函數(shù)，并結(jié)合賬戶的余額比例，隨機(jī)確定區(qū)塊生成以及投票人角色。根據(jù)論文中的模擬數(shù)據(jù)，比特幣的POW共識(shí)換成Algorand共識(shí)后，TPS增長(zhǎng)125倍。和DPOS+BFT相比，Algorand的安全性更強(qiáng)，只要超過(guò)2/3的賬戶余額是誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)，Algorand即安全。不過(guò)Algorand共識(shí)只是進(jìn)行了小范圍的測(cè)試，還沒(méi)有經(jīng)過(guò)大規(guī)模的市場(chǎng)驗(yàn)證。

算法細(xì)節(jié)解析

算法輔助函數(shù)

CommonCoin

CommonCoin算法用于模擬1/2概率，俗稱”拋硬幣“，但該”拋硬幣“算法有以下兩個(gè)特點(diǎn)：
1. 結(jié)果只有2個(gè)，且每個(gè)結(jié)果的概率為50%。
2. 使用相同參數(shù)作為種子，獲得的結(jié)果相同。
在Algorand中，CommonCoin使用全網(wǎng)的投票信息作為種子，對(duì)于強(qiáng)同步的大多數(shù)誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，得到相同結(jié)果的概率為h（h即為誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)所占比例，h > 2/3）。故每經(jīng)過(guò)一次CommonCoin可以h的概率讓大多數(shù)誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)。

CountVotes

CountVotes算法用于在給定時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)票數(shù)，并選出超過(guò)票數(shù)閾值的合法區(qū)塊。每個(gè)投票消息的票數(shù)實(shí)際為該用戶在當(dāng)前上下文中所選舉的子用戶數(shù)量。

ProcessMsg

ProcessMsg用于接收投票信息，驗(yàn)證并統(tǒng)計(jì)票數(shù)。

?AIgorand的區(qū)塊鏈的種類(lèi)的分類(lèi)

ALGORAND 非許可區(qū)塊鏈

Algorand 提供真正去中心化、可擴(kuò)展和安全的非許可區(qū)塊鏈。它具備真正去中心化的特點(diǎn)：每個(gè)代幣都可以參與共識(shí)協(xié)議，與任何其他代幣具有相同的權(quán)力。它具有可伸縮性，因?yàn)樗恍枋褂蒙倭康倪\(yùn)算，即可支持?jǐn)?shù)十億用戶在幾秒之內(nèi)生成一個(gè)區(qū)塊。而且它很安全，因?yàn)樗豢赡鼙簧贁?shù)礦工或受托人或者一小部分代幣的所有者破壞。事實(shí)上，只要?Algorand 區(qū)塊鏈的大多數(shù)代幣掌握在可靠的人手中，它就能保證正常工作。
Algorand 協(xié)議依賴于全新的技術(shù)，例如其獨(dú)特的密碼抽簽和超高效的拜占庭協(xié)議。

除了完全的去中心化、可擴(kuò)展性和安全性之外，Algorand 非許可區(qū)塊鏈還具有以下顯著特性：

無(wú)分叉和即時(shí)交易確認(rèn)。Algorand 區(qū)塊鏈不會(huì)分叉。每個(gè)新區(qū)塊都是單獨(dú)商定的，并且保證永遠(yuǎn)留在 Algorand 鏈上。因此，用戶可以立即信賴新區(qū)塊中包含的交易，而不必等待區(qū)塊在鏈中具有足夠的深度。
在?Layer 1?處理標(biāo)準(zhǔn)資產(chǎn)和智能合約。區(qū)塊鏈在不同的層面上處理不同的交易。第 1 層是最直接和最安全的一層。傳統(tǒng)意義上來(lái)說(shuō)，第 1 層只處理普通支付和共識(shí)協(xié)議本身，新資產(chǎn)的發(fā)行、智能合約和其他的所有事務(wù)都在第 2 層處理。但眾所周知，第 2 層的協(xié)議速度慢、成本高并且容易出錯(cuò)。相比之下，Algorand 在第 1 層還會(huì)處理標(biāo)準(zhǔn)資產(chǎn)和大量智能合約的發(fā)行，包括資產(chǎn)代幣化、原子交易和抵押借貸，并且能夠在必要時(shí)隔離和收回有爭(zhēng)議的交易。事實(shí)上，Algorand 在第 1 層就滿足了智能合約的大多數(shù)當(dāng)前用例，并且具有與普通支付手段相同的安全性和效率。

ALGORAND許可鏈版本

許可型區(qū)塊鏈的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠保護(hù)交易不受外界干擾。
在 Algorand 的非許可鏈版本中，每個(gè)原生代幣（除了作為本地貨幣 (Algo) 的計(jì)量單位之外）都可以參與共識(shí)協(xié)議，并具有與其他代幣相同的權(quán)力。但是，在 Algorand 的許可鏈版本中，企業(yè) E 只能將給定的 10M 代幣池用于共識(shí)協(xié)議，并以任何方式將其劃分到自己選擇的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)集合 V 中。例如，E 可以選擇 V 僅包含 5 個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，并為每個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)分配 2M 共識(shí)代幣。這樣做的結(jié)果是，E 為五個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)提供了生成新區(qū)塊的相同能力。另舉一例，E 可以選擇 55 個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，為前 5 個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)每個(gè)分配 1M 代幣，并為另外 50 個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)每個(gè)分配 100K 代幣。這樣的話，E 為前 5 個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)分配的區(qū)塊生成能力就是其他 50 個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的 10 倍。
Algorand 的許可型版本具有極細(xì)的顆粒度級(jí)別，可以為不同的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)分配不同的權(quán)重。

通過(guò)Algorand 許可區(qū)塊鏈，而不是從頭開(kāi)始構(gòu)建自己的許可鏈或采用另一個(gè)許可鏈，E 獲得了以下主要優(yōu)勢(shì)：

a) 按需分配的加權(quán)去中心化。選擇任意數(shù)量（任意權(quán)重）的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)是至關(guān)重要的。實(shí)際上，E 可能想做出這種選擇來(lái)提高自己區(qū)塊鏈的安全性，或者擴(kuò)大它所服務(wù)的社區(qū)。最初為少量金融機(jī)構(gòu)服務(wù)的區(qū)塊鏈可以從少量的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)開(kāi)始。但是，如果以后它想要為中小型銀行和信用合作社服務(wù)，而所有這些機(jī)構(gòu)都希望參與區(qū)塊生成，該怎么辦？適用于少數(shù)參與者的共識(shí)算法可能無(wú)法有效地適用于成百上千的參與者。而中途改變策略可能相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性！通過(guò)允許共識(shí)協(xié)議擴(kuò)展到數(shù)十億個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，E 能夠保證在任何時(shí)候毫無(wú)問(wèn)題地?cái)U(kuò)大驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)集。縮小規(guī)模容易，擴(kuò)大規(guī)模就難了。
b)?交易最終性和第?1?層智能合約。無(wú)論是私有還是公有區(qū)塊鏈，許可型還是非許可型區(qū)塊鏈，對(duì)于任何區(qū)塊鏈來(lái)說(shuō)，交易最終性都是一個(gè)至關(guān)重要的屬性。在第 1 層處理大多數(shù)智能合約需求的能力也是如此。通過(guò)在 Algorand 中增加權(quán)限控制特性，E 從而獲得一個(gè)許可型區(qū)塊鏈，該區(qū)塊鏈會(huì)自動(dòng)繼承這些至關(guān)重要并且很難擁有的屬性。
c)?可升級(jí)性和持續(xù)創(chuàng)新。無(wú)論何時(shí)將升級(jí)改進(jìn)和創(chuàng)新添加到核心的無(wú)許可型 Algorand 主鏈，使用許可型版本的 Algorand 協(xié)議均會(huì)自動(dòng)為 E 提供未來(lái)的升級(jí)改進(jìn)和創(chuàng)新。

ALGORAND Co-Chain：定義和挑戰(zhàn)

定義

Algorand Co-Chain是特殊的 Algorand 許可鏈版本。因此，它是一個(gè)可擴(kuò)展的許可鏈框架，可按需實(shí)現(xiàn)去中心化，具有交易即時(shí)確認(rèn)和第 1 層智能合約等特性。它還滿足一個(gè)額外的關(guān)鍵特性：
與其他Co-Chain的互操作性。許可型區(qū)塊鏈能讓給定范圍內(nèi)的用戶安全地進(jìn)行互動(dòng)。但它可能不允許他們與其他實(shí)體和個(gè)人進(jìn)行互動(dòng)。這是一個(gè)很大的限制，因?yàn)椤巴獠俊钡氖澜绫取皟?nèi)部”的世界更大，我們可能想要與更大的世界互動(dòng)。一組金融機(jī)構(gòu)可能想建立他們自己的許可鏈。但是一些醫(yī)療機(jī)構(gòu)可能也想這樣做。由于醫(yī)療保健是經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，所以金融機(jī)構(gòu)鏈想必希望與醫(yī)療機(jī)構(gòu)鏈進(jìn)行交互和資產(chǎn)交換。如果沒(méi)有外部的互操作性，許可鏈的成員就可能被困在自己的鏈中。

Co-Chain是?Algorand?許可鏈，它能保證?Algorand?無(wú)許可鏈與其他Co-Chain之間高效和安全的互操作性。

挑戰(zhàn)

第一個(gè)挑戰(zhàn)：安全性

許可鏈之間的互操作性很容易聲明，但很難得到保證。考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。用戶a擁有資產(chǎn)?x，他希望與擁有資產(chǎn)?y的另一用戶?b進(jìn)行交換。
如果?a和?b屬于 Algorand 無(wú)許可鏈或同一個(gè) Algorand Co-Chain，此問(wèn)題可以在 5 秒內(nèi)解決，并且具有最終性和安全性。實(shí)際上，他們可以使用原子交換，這是 Algorand 中作為第 1 層交易可用的主要工具之一。但是，如果?a是Co-Chain?A?的成員，b是另一個(gè)Co-Chain?B?的成員，該怎么辦？
不同鏈間的資產(chǎn)交換通常通過(guò)哈希鎖定協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是這種方法存在相當(dāng)大的問(wèn)題。除了需要多個(gè)邏輯復(fù)雜的步驟之外，它還容易受到拒絕服務(wù)攻擊。這樣的攻擊可以使欺騙一方保留自己的資產(chǎn)，同時(shí)獲得另一方的資產(chǎn)。為了避免這種情況，協(xié)議可能需要持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，這可能使拒絕服務(wù)的成本高于相關(guān)資產(chǎn)的價(jià)值。

第二個(gè)挑戰(zhàn)：明確所有權(quán)

但是，這又會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題，并且該問(wèn)題適用于僅涉及x和y及其各自區(qū)塊鏈A和B的任何協(xié)議。也就是說(shuō)，由于A?和B是許可型的私有鏈，最多只有它們的成員知道x和y交換了原始資產(chǎn)，因此，b現(xiàn)在由鏈A的成員擁有。如果鏈B?損壞，沒(méi)有什么能夠阻止y多次向其他區(qū)塊鏈的成員出售b或用其交換其他資產(chǎn)！從本質(zhì)上講，這相當(dāng)于資產(chǎn)交換的雙重支付。
如果許可鏈的大多數(shù)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)是惡意的，或者其密鑰已泄露，那么該許可鏈就算是腐敗了。在腐敗的鏈中，原始區(qū)塊可以被替換為假區(qū)塊，這樣就再也無(wú)法弄清楚誰(shuí)擁有哪些資產(chǎn)。（這就是去中心化對(duì)安全來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，以及幾百個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)比幾十個(gè)更好的原因！）許可鏈的損壞具有很強(qiáng)的隱匿性，因?yàn)樗乃矫苄钥梢苑乐雇獠咳藛T注意到這種腐敗。鏈的損壞是比較罕見(jiàn)的事件，但當(dāng)它發(fā)生時(shí)，應(yīng)該只影響鏈的成員，而不應(yīng)該影響誠(chéng)實(shí)鏈！沒(méi)人能夠保證另一條鏈可以保持誠(chéng)實(shí)。
鏈的互操作性應(yīng)該保證誠(chéng)實(shí)鏈的成員所獲得的任何資產(chǎn)都有明確的所有權(quán)。即便從腐敗的鏈的成員處獲得的資產(chǎn)也是如此。

ALGORAND（簡(jiǎn)化版）Co-Chain體系結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在，我們來(lái)概述一下 Algorand Co-Chain如何互操作。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，先忽略隱私特性。

序言

我們用?MAIN來(lái)表示 Algorand 的主網(wǎng)，它是無(wú)許可并且公開(kāi)的。相應(yīng)地，每個(gè)Co-Chain監(jiān)控?MAIN的區(qū)塊。對(duì)于每個(gè)Co-Chain?C，MAIN都需要維護(hù)

Co-Chain的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的最新列表VALIDATORSC，
以及Co-Chain的成員擁有的，可以轉(zhuǎn)讓給其他鏈的所有資產(chǎn)的最新列表ASSETSC。

過(guò)程

最初，當(dāng)一個(gè)Co-Chain形成時(shí)，這兩個(gè)列表都可能被包含在本質(zhì)上是Co-Chain?C在“MAIN中的創(chuàng)世區(qū)塊”。（這個(gè)創(chuàng)世區(qū)塊與Co-Chain?C的原始創(chuàng)世區(qū)塊不同，它指示哪些是Co-Chain?C的初始公鑰，以及這些密鑰最初擁有哪些資產(chǎn)。）
隨著時(shí)間的推移，VALIDATORSC和?ASSETSC都通過(guò)Co-Chain?C在?MAIN中發(fā)布由Co-Chain?C的最新驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)列表（適當(dāng)多數(shù)）簽署的適當(dāng)交易進(jìn)行更新。
需要強(qiáng)調(diào)的是，MAIN不僅對(duì)Co-Chain?C?中發(fā)生的交易一無(wú)所知，而且也不知道Co-Chain?C的實(shí)際公鑰，更不用說(shuō)使用這些密鑰的實(shí)際用戶了！事實(shí)上，ASSETSC不會(huì)透露有關(guān)Co-Chain?C中控制?ASSETS中資產(chǎn)的公鑰的任何信息。

從?Algorand Co-Chain?到主鏈的資產(chǎn)轉(zhuǎn)移

Algorand Co-Chain?A?的用戶?x可能想要通過(guò)公鑰?tx將他擁有的資產(chǎn)?a轉(zhuǎn)移到?MAIN。用戶?x這樣做可能出于多種原因。例如，x可能想拍賣(mài)?a，而“出價(jià)的人越多，價(jià)格就越高”。因此，與其在?A上拍賣(mài)?a，用戶?x可能更愿意在?MAIN上拍賣(mài)，這樣不僅有?A的成員報(bào)價(jià)，還有?MAIN或其他Co-Chain的成員報(bào)價(jià)。事實(shí)上，Co-Chain的任何成員都可以輕松地向?MAIN轉(zhuǎn)移穩(wěn)定幣，唯一的目的就是參加拍賣(mài)。
與Co-Chain?A?中普通的轉(zhuǎn)移相同，將?a從?tx轉(zhuǎn)移到?MAIN的操作由 tx?的數(shù)字簽名授權(quán)，用符號(hào)表示為?SIGx(tx, a, MAIN)。由于?tx擁有?a?，并且轉(zhuǎn)移得到了適當(dāng)?shù)氖跈?quán)，SIGx(tx, a, MAIN)會(huì)進(jìn)入經(jīng)?A的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)適當(dāng)認(rèn)證的?A的一個(gè)新區(qū)塊?X。此時(shí)，Co-Chain?A?的所有成員意識(shí)到?tx和?A中的任何其他公鑰均不擁有資產(chǎn)?a。因此（除非?A已損壞），tx不能再授權(quán)?a在?A內(nèi)或?A外的轉(zhuǎn)移。
與?A的所有其他區(qū)塊相同，X的結(jié)構(gòu)是為了便于將?SIGx?(tx,a, MAIN)和轉(zhuǎn)到?MAIN的所有其他資產(chǎn)轉(zhuǎn)移與所有其他信息隔離開(kāi)來(lái)，這些信息必須僅對(duì)?A的成員保持可見(jiàn)。從概念上來(lái)說(shuō)，表示方式如下：

X= (SIGx?(tx, a, MAIN), other transfers to MAIN, H)

其中H是A中所有交易的單向哈希（通常長(zhǎng)度為 256 位），必須在A中保持私密。需要注意的是，X的格式非常緊湊。實(shí)際上，除了打算傳遞給 Algorand 主鏈的信息外，它只包含 256 個(gè)字節(jié)。
此格式的區(qū)塊X以及它在A中的證書(shū)會(huì)傳播到MAIN的節(jié)點(diǎn)。

由于Co-Chain?A運(yùn)行與MAIN相同的共識(shí)算法，并且MAIN知道 A 的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，因此MAIN的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)可以解析X的證書(shū)，并了解到

tx是A擁有資產(chǎn)a的密鑰
密鑰tx的所有者希望將?a轉(zhuǎn)移到 Algorand 的主鏈。

相應(yīng)地，

資產(chǎn)a會(huì)從?ASSETSA中移除，并且
密鑰tx會(huì)被記錄為MAIN擁有（在MAIN中！）資產(chǎn)a的（可能為新的）密鑰。

注意：步驟 1 中使用的MAIN既是公有的，也是非許可的。具體來(lái)說(shuō)，MAIN為非許可型這一事實(shí)能夠保證tx成為MAIN中的密鑰，不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題。并且MAIN是公有的這一事實(shí)能夠保證所有人意識(shí)到資產(chǎn)a現(xiàn)在位于MAIN中。這能夠保證y將（在下一個(gè)步驟中）獲得a的明確所有權(quán)。事實(shí)上，無(wú)論Co-Chain?A?是否損壞，x和A中的任何其他成員均無(wú)法將a轉(zhuǎn)移給任何其他Co-Chain的任何成員。

從主鏈轉(zhuǎn)回Co-Chain的資產(chǎn)轉(zhuǎn)移

在?MAIN中出售?a后，tx可能會(huì)想將拍賣(mài)所得的穩(wěn)定幣轉(zhuǎn)移給?A。
更普遍的情況下，如果?tx是?MAIN和?A兩者的公鑰，tx可能會(huì)想將它在?MAIN中擁有的資產(chǎn)?b轉(zhuǎn)移到?A。同樣，這樣的轉(zhuǎn)移可能是由?tx的數(shù)字簽名授權(quán)的，用符號(hào)表示為?SIGx?(tx,b, A)，它會(huì)進(jìn)入?MAIN的一個(gè)新區(qū)塊。由于?MAIN為非許可型，A的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)可能會(huì)看到?SIGx?(tx,a, A)出現(xiàn)在?MAIN的區(qū)塊中，或者它們可以通過(guò)?tx本身看到這種出現(xiàn)的適當(dāng)緊湊證明。無(wú)論哪種情況，A的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)都將導(dǎo)致?tx成為?A中資產(chǎn)?b的當(dāng)前所有者，因?yàn)樗呀?jīng)是?A中的一個(gè)密鑰。同時(shí)，只要?SIGx(tx, a, A)出現(xiàn)在?MAIN的區(qū)塊中，tx便不再擁有?MAIN中的?b，并且?ASSETS A將更新為包含資產(chǎn)?b。

Co-Chain互操作性

接下來(lái)，我們使用上面提到的相同資產(chǎn)交換示例來(lái)說(shuō)明Co-Chain是如何互操作的。現(xiàn)在，A和?B是不同的 Algorand Co-Chain。具體來(lái)說(shuō)，資產(chǎn)?a在?A中由公鑰?tx控制，其私鑰為?x所知，而資產(chǎn)?b在?B中由公鑰?ty控制，其密鑰為?y所知。

要交換它們的資產(chǎn)，x和y通過(guò)以下概念步驟利用MAIN。

在鏈A中，tx“將a轉(zhuǎn)移到MAIN”，并向MAIN提供轉(zhuǎn)移證明。在鏈B中，ty“將b轉(zhuǎn)移到MAIN”，并向MAIN提供轉(zhuǎn)移證明。

在MAIN中，tx和?ty通過(guò)原子互換交換a和b。

在MAIN中，tx將b轉(zhuǎn)移到A，并且?ty將a轉(zhuǎn)移到B。鏈A?和B都能看到這兩項(xiàng)轉(zhuǎn)移

步驟 1 的說(shuō)明

步驟 1 可以通過(guò)tx在MAIN的區(qū)塊中發(fā)布?SIGx?(tx, a, A)?來(lái)實(shí)現(xiàn)，如上所述。相應(yīng)地，在MAIN中，

資產(chǎn)a會(huì)從?ASSETA中移除，并且資產(chǎn)b會(huì)從?ASSETB中移除。
密鑰tx不再擁有a。

類(lèi)似地，對(duì)于ty來(lái)說(shuō)也是如此。

步驟 2 的說(shuō)明

從現(xiàn)在開(kāi)始，在?MAIN中，tx?擁有a，并且ty擁有b，它們可以在幾秒鐘之內(nèi)以超級(jí)安全的方式交換這些資產(chǎn)。實(shí)際上，所采取的方式是第 1 層原子交易，這是 Algorand 非許可鏈的主要功能特性之一。

步驟 3 的說(shuō)明

如前所述，在?MAIN中，tx?將b轉(zhuǎn)移給 A 中的自己，因?yàn)閠x仍然是A的批準(zhǔn)密鑰。類(lèi)似地，對(duì)于ty來(lái)說(shuō)也是如此。

附加說(shuō)明

我們可以注意到，整個(gè)過(guò)程非常快。實(shí)際上，以上三個(gè)步驟中的每一步都可以在生成新區(qū)塊所需的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行。這一時(shí)間在 Algorand 的主鏈中不超過(guò) 5 秒。但是在 Algorand Co-Chain中生成區(qū)塊可能會(huì)快很多。實(shí)際上，在 Algorand 協(xié)議中，可以在確保大多數(shù)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)看到區(qū)塊所需的時(shí)間內(nèi)生成一個(gè)區(qū)塊。在網(wǎng)絡(luò)速度很快的Co-Chain中，這一時(shí)間可以忽略不計(jì)。
還注意到，整個(gè)過(guò)程發(fā)生在第 1 層，因此無(wú)論是在主鏈中還是在Co-Chain中，都具有更高的安全性。
最后請(qǐng)注意，給定Co-Chain的資產(chǎn)累計(jì)價(jià)值可能超過(guò) Algorand 主鏈的估值。然而，Algorand 的主鏈并不用于保護(hù)任何Co-Chain的資產(chǎn)。在給定的時(shí)間點(diǎn)，它僅用于處理給定Co-Chain的少量資產(chǎn)，并且僅持續(xù)幾秒鐘。也就是說(shuō)，它用于處理Co-Chain想與另一個(gè)鏈交換的資產(chǎn)。

增強(qiáng)私密性

Algorand Co-Chain之間資產(chǎn)交換的隱私性可以大幅增強(qiáng)。
具體而言，tx和?ty可以是臨時(shí)密鑰，僅供?x和?y在本次資產(chǎn)交換中使用。也就是說(shuō)，在開(kāi)始上述的三步流程之前，x生成臨時(shí)公鑰?tx?并將資產(chǎn)?a從之前持有a的任何公鑰轉(zhuǎn)移到?tx。完成步驟 3，并且?tx?在?A中擁有資產(chǎn)?b后，x可以將?b從?tx?轉(zhuǎn)移到他選擇的任何其他公鑰。通過(guò)這樣的方式，Algorand 的主鏈永遠(yuǎn)不知道?A中的哪個(gè)公鑰最初擁有資產(chǎn)?a，以及哪個(gè)公鑰最終會(huì)擁有?b。

Co-Chain主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)

完全獨(dú)立于公有區(qū)塊鏈，保護(hù)其交易不被外部人員所看到，可以自行選擇驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)，并自行來(lái)運(yùn)行Algorand共識(shí)協(xié)議；
通過(guò)與Algorand主鏈交互從而和其他Co-Chains以及其他方之間進(jìn)行交易，并且確保該過(guò)程和在Algorand無(wú)需許可的公鏈內(nèi)進(jìn)行資產(chǎn)交換，擁有相同程度的安全性和便利性；
Co-Chain能夠使用原子交換（Atomic Transfers），智能合約（ASC）等所有Algorand公鏈原生擁有的工具和特性；實(shí)際上，Co-Chain能夠自動(dòng)享受到Algorand公鏈上所有的升級(jí)以及性能提升。

Algorand網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為兩種

Relay Node（中繼節(jié)點(diǎn)）和 Non-Relay Node（非中繼節(jié)點(diǎn)）。其中中繼節(jié)點(diǎn)承擔(dān) Algorand 網(wǎng)絡(luò)樞紐的作用，執(zhí)行重復(fù)數(shù)據(jù)刪除，簽名檢查和其他驗(yàn)證步驟，最終向其他節(jié)點(diǎn)重新傳播有效消息。非中繼節(jié)點(diǎn)則又稱為參選節(jié)點(diǎn)，通過(guò)配置有效賬戶并連接到中繼節(jié)點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò)選舉。作為一個(gè)開(kāi)放性的網(wǎng)絡(luò)，任何人都可以下載安裝跑一個(gè)Algorand節(jié)點(diǎn)。參選節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置為全節(jié)點(diǎn)模式和非全節(jié)點(diǎn)模式。在非全節(jié)點(diǎn)模式下，節(jié)點(diǎn)只需要保留大約1天的區(qū)塊數(shù)據(jù)，能有效降低存儲(chǔ)要求。Algorand 所固有的高速、可擴(kuò)展性和安全性等特點(diǎn)將被其上發(fā)行的 USDT 所繼承。

小結(jié)

[1]Algorand 共識(shí)不是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。隨著越來(lái)越多的區(qū)塊被附加到給定的區(qū)塊 B 上，人們?cè)絹?lái)越有可能對(duì) B 達(dá)成共識(shí)。Algorand 單獨(dú)對(duì)新的區(qū)塊達(dá)成協(xié)議，這一過(guò)程完成后，再對(duì)下一個(gè)區(qū)塊達(dá)成協(xié)議，以此類(lèi)推。

[2]原子交易讓多名用戶能夠通過(guò)單筆交易交換資產(chǎn)，或者以多種貨幣執(zhí)行多筆支付。因此，原子交易中的任何參與者都無(wú)法欺騙其他參與者，并且沒(méi)有人害怕自己是第一個(gè)嘗試的人。

[3]另一個(gè)經(jīng)常提到的選擇許可型區(qū)塊鏈的原因是安全。然而，這個(gè)理由忽略了一點(diǎn)，即去中心化本身就是安全性的主要來(lái)源。

參考鏈接

AIgorand：兼顧高性能、去中心和安全的公有鏈 | ONETOP評(píng)級(jí)
AIgorand加密共識(shí)算法主要解決了什么問(wèn)題？
必讀| Algorand PPoS共識(shí)協(xié)議絕對(duì)核心優(yōu)勢(shì)在哪？PurePoS輕松速懂精華總結(jié)版
Algorand Co-Chain技術(shù)解讀
專(zhuān)題研究九：區(qū)塊鏈項(xiàng)目Algorand
可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)VRF之Algorand算法

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的针对Algorand所使用的密码相关技术细节进行介绍的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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