随机选举机制
摘 要：比特币等加密货币被提出以后，数字货币的发展带动了区块链的发展。而区块链是一种去中心化的分布式数据存储系统,其中所有参与者之间达成的共识需要共识机制来实现。为使得区块链能够适用于不同的应用场景,不同的共识机制被提出，共识机制也决定了区块链的可扩展性、安全性、去中心化程度。随着区块链应用的进一步发展,共识机制的相关研究也越来越多。在本篇文献综述中，研究表明随机自选举机制主要用防止网络攻击，并提高交易的安全性。随机自选举机制在交易过程中，为每个区块选择一个领导者，一个区块的正式交易集合是区块领导者选择的集合。这个机制根据随机性、可验证性、不可预测性以及独特性来选择合适的领导者，从而保证交易的安全。但在机制中仍存在着一些矛盾，亟待解决的问题还很多。本文主要研究随机选举机制的最新近况，对于应用随机选举机制的四个典型案例进行具体分析，指出其存在的优缺点、交易规模以及可能面临的攻击方式。最后，指出了区块链时代随机选举机制在安全、扩容、启动、激励等层面的研究热点和发展方向.
关键词：领导者 自选举 区块链 可验证随机函数 数字签名
- 随机自选举机制产生的背景
2008年，自中本聪提出比特币[1]以来，数字货币进入了新时代。比特币的区块链技术得到各界人士越来越多的重视[2]，区块链已成为具有较大影响力的生态系统。区块链技术旨在不可信的开放网络中，维护一个安全可信、不可篡改的公共账本。
区块链本质上是一个去中心化的分布式账本数据库，通过运用时间戳、Merkel 树形结构、不对称密钥加密算法、共识算法和奖励机制等技术，实现基于对等网络上的去中心化信用交易，针对现有中心化模式存在的可靠性差、效率低等问题提出的新计算范式。与传统的中心化账本系统相比，区块链技术可以让节点在无需互相信任的分布式系统中，实现去中心化信用的点对点交易、协调与协作，具备完全公开、不可篡改、防止多重支付以及不依赖第三方等优点，从而为解决中心化机构普遍存在的高成本、低效率和数据存储不安全等问题提供解决方案。
目前区块链的体系架构一般分为以下几个层面：从下到上依次是数据层、网络层、共识与激励层、合约层和应用层。数据层包括最基本的交易数据、区块数据和时间戳等，数据层采用哈希函数、数字签名等密码学技术，为区块链提供最基本的安全保证；网络层采用基于点对点的网络结构，负责区块数据、节点间消息的传播，区块链网络中节点一般采用Gossip协议进行通信；共识与激励层是区块链技术的核心，决定了区块以什么方式在节点间达成一致，比特币采取的共识机制是工作量证明（PoW），而激励制度是对区块记录者进行一定的奖励分配，从经济学的角度使区块链系统维持正常运行；合约层主要是在以太坊等新型区块链系统中的智能合约，以脚本代码的形式完成用户设定的交易过程；应用层主要指的是区块链系统的综合应用，如电子投票平台、食品溯源等[3]。
共识机制作为区块链技术的核心，从根本上决定了整个区块链系统的安全性、可用性和系统性能等。1975年, Akkoyunlu、Ekanadham和 Huber[4]提出了计算机领域的 “两军问题”, 共识机制的研究从此开始。Lamport、Shostak和Pease[5]提出“拜占庭将军问题”,主要研究在可能存在故障节点或恶意攻击的情况下,非故障节点如何对特定数据达成一致。拜占庭将军问题成为了共识机制研究的基础。1999年,Castro和Liskov[6]提出了实用拜占庭容错协议(practical Byzantine fault tolerance,PBFT),作为拜占庭将军问题的解决方案, PBFT允许网络中存在一定数量的拜占庭节点,这些节点能够在共识达成过程中制造虚假信息, 以各种手段阻碍其他诚实节点完成共识。PBFT能够在敌手数量占比不超过全部节点数量 1/3的情况下,实现最终诚实节点的共识。
