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一文读懂Polkadot的三种共识

Polkadot共识主要有三种:NPOS, BABE, GRANDPA接下来我们对这三种共识进行逐一的解释NPOS什么是NPOS共识在Polkadot 中,中继链上的验证者需要分配到各个平行链,为它们提供区块链验证能力,是 Polkadot 共享安全性的一部分,因

  Polkadot共识主要有三种:NPOS, BABE, GRANDPA

  接下来我们对这三种共识进行逐一的解释

  NPOS

  什么是NPOS共识

  在Polkadot 中,中继链上的验证者需要分配到各个平行链,为它们提供区块链验证能力,是 Polkadot 共享安全性的一部分,因此中继链的验证者对于整个Polkadot多链系统的安全性至关重要。

  如何公平安全地选举出中继链上的验证者也就成了保障整个系统共享安全性的第一步,是不可或缺的一步。

  NPOS( Nominated Proof of Stake)共识算法就是用来选举出能让系统更安全,更高效的验证者集合的。和传统意义上的POS共识相比,NPOS算法结合了Polkadot链自身架构的一些特点,进行相应的优化。

  下面看看NPOS是如何进行工作的。

  在说明NPOS之前,我们需要先回顾一下Polkadot中重要的两种角色。

  ▲ 验证人

  中继链的全节点,中继链会在验证人池中通过随机分组把验证人指定给不同的平行链。验证人会接受来自收集人打包的区块并进行有效性验证,然后结合共识算法对收集人提交的区块进行确认。

  ▲ 提名人

  Polkadot中数字货币DOT的持有人,它会选择自己所信任的验证人进行DOT质押,然后分享验证人的收益。

  Polkadot的选举模型是建立在这两种角色基础上的。要成为验证人,必须先成为验证人候选人参加选举的过程,而这个选举过程中的“选民”就是提名人。

  在Polkadot的设计中,提名人数量在理论是可以不设置上限的,如果能够让更多的提名者参与到投票阶段,那么参与到选举的资金量也就越大,整个系统就更加的安全;而对于验证者来说,为了区块链的性能,不能太多(所有节点都能作为验证者的话,那就是比特币采用的模式了),验证者的数量由系统确定的固定值,这一点来说和POS共识是一致的。

  选举模型

  为了明确选举问题,Polkadot中将选举验证者集合的问题抽象为一个数学的选举问题:

  ▲ 问题:m 个选民对 n 个候选者的情况下,选出最终的 t 为当选者

  (注:提名人可以有任意个,验证者是有限个)

  问题的描述很简单,但是如何做到让系统更安全,会有不同的策略。Polkadot的设计哲学中,认为选举策略需要满足下面的“三大原则”:

  Balance: 验证者在出块时候的比重相同,因此该策略在Stake分配需要尽量平均,保证网络的安全;

  Support: 该策略需要让尽可能多的 Stake 资金参与进来。因为提名者只负责选投哪些候选者,但是对于的 Stake具体分配给多少到哪个验证者是没有决定权的,这部分是NPOS算法通过计算来决定的。这也是NPOS和普通的POS共识中很大的不同之处;

  FAIr representation: Stake 多的提名者选投的验证人更可能出现在验证者集合中。

  基于上述的问题和要求,可以将该问题转化为下面的数学模型:

  输入:给定,其中是Nominator集合,是Validator候选者集合,是边的集合,表示提名者投了候选者一票。同时给定向量 ,表示各个提名者各自的Stake数量,是选出的最终验证者集合的大小。

  输出:给定解,其中是最终选定的Validator,大小为,是提名者分配多少 Stake 到最终的Validator。

  限制条件:

  Balance: 给定,能够给出一个,使得最小

  Support: 给定,能够给出一个,使得最大

  Fair representation: proportional justified representation(PJR)规则

  任意一个 ,都不会存在一个提名者的子集,导致出现下面的情况:

一文读懂Polkadot的三种共识

  用较为通俗的话来说就是不允许出现:存在某些中的提名者的stake 超过了总的staking的的比重,并且他们支持的人选有交集的超过个,但是他们支持的Validator的数量入选却没有超过个。上述的问题在数学上就是一个最优化问题,很可惜这个选举在数学上已经被证明是 NP完全问题,并不能在多项式时间内给出最优解。所以Polkadot给出了自己的一套解决方案,来绕过这个难解问题。

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