《火星公开课》第140期CelesOS杨洋：新一代共识算法DPoW

1. 共识算法

今天给大家分享一下CelesOS使用的共识算法DPoW（Delegated Proof of Work）。

首先，简要回顾一下共识算法的发展历程。 我们知道，没有唯一中央权威的记账方式需要共识来防止双重支出，这就是拜占庭将军问题。

借用张首晟关于熵和共识的理论：一个孤立的系统通过做功来减少熵。 根据这个理论，区块链系统中的任何区块链记账系统都可以看作是一个孤立的系统，熵的减少就是共识和秩序的增加，所以在区块链系统上所做的工作可以比作共识实现了时间复杂度。

Lamport在1982年提出了解决拜占庭问题的口头算法。因为要验证“将军”发送的信息没有被其他“副官”篡改，所以需要遍历信息传播的所有途径. 口语算法最大容错率为33%，算法时间复杂度为多项式，约等于O(N^N)。 随着节点数量的增加，复杂度迅速上升，不可扩展。

Barbara在1999年提出PBFT，用数字签名代替之前的口头算法来验证“中尉”传递的“一般”信息的真实性，算法复杂度降低到O(N^2)左右。 比 O(N^N) 小得多，但仍然不可扩展。

经过EOS系统验证，一个PBFT使用20个左右的节点比较合适。 那么如何进一步降低达成共识所需的时间复杂度呢？ 还记得关于熵的理论吗？ 它可以通过从外界对系统做功来实现，即通过能量损失证明对系统的承诺。 PoW，Proof of Work，谁花的精力多，谁的效率高，谁就会被信任。

有了想法，需要的是找到一个难度足够大、容易测试、激励机制优美的问题：比特币。 通过消耗一个爱尔兰国家的电力，比特币 PoW 的时间复杂度大致降低到 O(N) 左右，是线性的。 可扩展，但价格昂贵。

怎么可能便宜？ 然后将引入其他种类的“秩序”。 权益可以认为是来自外部系统的命令，混合了能量损失的共识，可以帮助减少能量损失，例如传统的 PoS。 但是 PoS 并没有解决攻击不力的问题。

为了解决PoS无法解决的问题，我们可以继续引入外部订单，比如使用选举投票，使用仲裁机构ECAF等链下方式解决链上问题。 这就是DPoS的基本思想，引入链下共识作为系统内部的共识，做到没有算力损失和挖矿机制。

时间复杂度分为两部分：近似线性投票共识+21节点PBFT区块共识。 DPoS（Delegated Proof of Stake）最大的问题是去中心化程度不够。 如果EOS集中在少数人手中，这个网络就很难有竞争对手了。

还有其他共识试图通过降低共识质量来提高效率。 比如IoTA的Tango，就是通过牺牲全局共识来实现时间复杂度不变的。 闪电网络是另一种方式，它牺牲了本地共识。

这两者都不是一个完美的共识，但都可以在物联网或小额支付上有很好的应用。 但完美主义者认为，牺牲共识质量是不可接受的，我们还是要回到DPoS，看看能否找到突破口。

以太坊创始人VB表示，在不可能三角中，去中心化、效率和安全三者只能取其二。 比如PoW去中心化和安全性都很好，而DPoS在效率和安全性上都很好。 我们如何设计一个包含所有这三者的共识？

其实VB说的并没有错，只是他没有考虑时间的维度。 如果一个共识能够在 DPoS 和 PoW 之间持续平稳地摇摆，那么这个共识就可以在系统层面体现去中心化、效率和安全性。

2. 关于 DPoW

DPoW 是 CelesOS 发明并使用的共识算法。 DPoW，Delegated Proof of Work，类似于DPoS，但票源不是来自代币而是算力。 矿工通过 PoW 计算出谜题，答案是一张一次性票，可以累积投给区块生产者（BP）。

DPoW 的理论性能与 DPoS 相同，由于计票，去中心化程度更好。 当系统累积的票数足够多时，DPoW 会自动降维成为 DPoS，因为大家会投得更多； 当系统累积的票数比较少的时候，DPoW 自动降维变成 PoW，因为大家都想挖更多。

DPoW 什么时候表现出更强的 PoW 属性或者更强的 DPoS 属性，没有预设。 在DPoW中，完全是由我们祖先的东方智慧决定的：田忌赛马。 算力弱的可以存一会，算力强的可以多花钱，个别单位做判断。 DPoW 在 DPoS 和 PoW 之间持续动态地平衡。

DPoW 基于市场供需，同时体现去中心化、效率和安全性。 从系统的角度来看，没有必要每时每刻或每一个区块都去争夺去中心化。 只要存在争夺机制，系统就是去中心化的。

在性能方面，系统性能取决于性能最小的BP（Block Producer）。 由于BP是一个相对稳定的群体，只要BP之间达到标准，就可以保证系统的性能。

很多共识在设计的时候，为了提升性能而直接舍弃去中心化的竞争属性是很可惜的，没有考虑时间的维度。 DPoW 是一种特别适合机构的共识算法。 所以我们把 DPoW 放在 CelesOS 的共识层。

CelesOS是一款面向机构的公链操作系统软件。 我们的 DPoW 并不是一个非常复杂的共识算法。 理解它有几个关键点：

首先从熵的角度理解共识，什么是去中心化。 达成共识要么消耗能量，要么从外部世界引入秩序。 我个人认为消耗能源是值得的，因为DPoS投票机制带来的资源消耗是无法衡量的，很难说哪个更大，DPoS的资源消耗还是PoW的能源消耗。 使用一定的资源消耗是去中心化的保证。

第二比特币激励机制怎么设计的，共识与区块生成的解耦。 比特币的共识和区块生成是齐头并进的。 在EOS时代，投票和出块已经出现了异步的迹象：一个区块0.5s比特币激励机制怎么设计的，一轮投票63s。 DPoW 的共识挖矿部分与区块生成完全异步。 门票就是答案，它甚至允许链下存储。 BP每次用的时候去题库里查一下答案就够了。 问题与账户名对应，确保每个账户的答案只能被该账户使用。 这种解耦确保了共识的高性能。

第三，DPoW 不是纯粹的 PoW 算法，因为票是一次性的，可以累积。 因此，选民自己的决定也可以看作是一种外来的命令。 由于我们设计的票是不可交易的，所以我们尽可能把这个命令限制在选民自己，也就是选民自己对“秩序”的理解。

提问时间：

Q1：Pow挖出的不是token，而是ticket。 这个值怎么理解？ 矿工愿意吗？

A1：大部分BP也会是矿工，当他们是BP的时候，就会有收益和激励机制。 非 BP 矿工与 BP 签订协议，这在 DPoW 中是允许的。 BP通过协议激励矿工，以市场化方式运作。

Q2：定义Dpow来解决不可能三角，但是会不会导致Pow时浪费能量，Dpos时浪费资源，引入时间后加2更糟？

A2：在很多国家，每4年或5年选举一次总统被认为是更合适的制度，但不需要每天都选举，也不需要每10分钟选举一次。 权力下放是一种“选举”。 频率不是最重要的问题，关键是要有频率。 假设DPoW是挖出每张票立即投出，按照BP出块速度进行投票，那么消耗的能量和普通PoW是一样的，但是因为共识和出块是异步的，所以出块速度会比传统的 PoW 更快。

如果系统里全是票，那确实和DPoS一样，甚至会有拉票的行为，但是这些票会在比赛中丢失，所以纯DPoS的状态并不是一个稳定的状态。

Q3：CelesOS的token不是票，是吗？

A3：CelesOS是一个软件和操作系统，本身没有token。 通过CelesOS的参数配置，社区做公链。 当前主网名为Celes Chain，Celes Chain的代币不用于投票。 所有投票都是对问题的回答。 你可以自己手写，通过CelesOS的配置获取Celes Chain。

除了传统的区块链社区，Celes 社区还将有律师、银行家和其他专业人士组成的社区团体。 可以认为Celes是连接区块链世界和传统世界的桥梁，帮助传统金融机构，通过Celes的技术和社区，帮助他们的C端客户接入区块链技术和资产。

Q4：你多次提到票就是问题的答案，比如什么问题，它和比特币的哈希值是不是很像？

A4：是的，这个问题和比特币的类似，但不同的是，在DPoW中，每个区块不仅可以回答一个问题，而是可以回答多个问题。

Q5：为什么特别提到律师和银行家？

A5：区块链的本质是社区，它帮助社区达成共识。 区块链是这些社区产生的知识的体现。 如果连锁店的社区包括律师和银行家，那么连锁店的知识将涵盖这些。

Q6：实现这样的算法有时间计划吗？

A6：算法搭建已经完成，仿真测试也在进行中。 CelesOS 软件的第一个版本将在 4-6 个月内发布，并将开源。

Q7：您对其他一些明星共识算法有什么看法？ 比如迅雷，algorand。

A7：我觉得algorand还是比较好的。 我还在考虑要不要把部分内容吸纳到DPoW中去，目前还没有好的想法。

Q8：异步共识和出块有什么好处？ 延迟共识会不会导致系统整体响应时间太慢？

A8：EOS目前采用的是这种延迟共识，目前可以做到3000tps，响应速度比较理想。 允许异步有很多好处。 比如未来可以支持热插拔共识，也可以有效防止一些恶意节点的某些攻击。 最重要的是，如果你调整或升级共识的某些细节，不会影响区块的生成。

Q9：是什么机缘巧合让你进入区块链行业？ Celes的共识机制是在什么背景下设计的？

A9：大学微积分老师韩云瑞告诉我们，数学是一个简单的思想。 后来我把这个想法延伸到金工领域，再延伸到区块链这边。 我觉得共识也应该是一个简单的想法。 看了几个不错的白皮书和共识算法，觉得“简单的共识”越来越合理，形成了自己对共识的理解。

另外，我本来是学EE的，本来就是信奉信息熵的。 将共识和熵联系起来非常有趣。 Celes DPoW 的思路其实就是基于这个思路。 其实DPoW的出现更多是工程师的思考。 如果出现三角形不可能的问题，那就想办法绕过去。

Q10：与其他解决方案相比，Celes有哪些优势？ 实施过程中会遇到什么挑战吗？

A10：有以下三个优势：

1. 有一个很好的共识算法，很可能为未来的其他共识算法指明一条新的路径；

2、采用和目前比较先进的软件-社区-公链架构；

3. 区块链上的知识壁垒，专业和极高附加值的社区以及银行家、律师、工程师等的知识；

4. 我们的团队非常擅长建设专业和治理的区块链社区。

对我来说，创业最大的挑战是能否找到一个和我们一样执着追求理想、思维简单的团队、社区和合作伙伴。

宾客简介

杨洋/CelesOS联合创始人兼首席科学家

毕业于清华大学电子系，后获得英国纽卡斯尔大学和伦敦帝国理工学院计算机工程和金融工程硕士学位。 曾就职于中金香港、西班牙银行从事投资银行及金融衍生品业务十余年。 主导开发了多个世界领先的区块链应用项目。 目前，BlockContinent的创始人之一主要负责区块链底层技术的研发和战略设计，以及公链技术的建设。

对话启动器

Kevin Ren/共识实验室合伙人

计算机科学和工商管理双硕士学位。 曾在蓝港资本、光华宏仁资本等多家VC机构担任合伙人。 区块链投资包括：celer、ankr、quark、bumo、newton、blockcloud、uinp、nervos、path、merculet、cocos等项目。 LeekLab创始人，中关村创投基金协会理事，北京市文化创投与融资协会副秘书长，中国人工智能产业联盟理事，北京大学国际投资管理协会原会长，中南创业联盟理事.

廖智宇 Emma/Ultrain 联合创始人

继著名抗日英雄廖耀祥将军后，就读于美国常春藤名校哥伦比亚大学。 曾任金砖资本合伙人，早期投资人人车、蔚来汽车等项目，历任360智能硬件投资总经理、欧洲顶级投行高驰中国创始CEO、国际客户总监纽约私人银行。 拥有全球顶级商业资源，深谙资本运作、跨境并购和TMT投资经验。

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