詳解 Algorand 共識協議的工作原理及優缺點

Algorand 通過創新共識協議設計，同時實現了較高的可擴展性，較好的安全性和一定程度的去中心化，并且所有結論都有較為嚴格的數學證明，是一種較為創新和嚴謹的共識機制，但此前所有結果均是理想環境下的數據，且部分代碼未開源，虛擬機相關設計也暫未提及，其實現的復雜度、穩定性和實際性能還有待時間的檢驗。

概述

1.1 引言

Algorand 稱其突破了「公鏈不可能三角」，項目創始人是圖靈獎得主、MIT CSAIL 實驗室的 Silvio Micali 教授。Algorand 提出的共識協議是項目的一大亮點，本文主要分析 Algorand 共識協議的工作原理，并分析其優缺點。

1.2 Algorand 設計的初衷

Algorand 想解決的核心問題是：去中心化網絡中低延時（Latency）和高置信度（Confidence）之間的矛盾 [1]。

其中，延時指從發起交易到確認交易所需要的時間；置信度指的是發出的交易不會再被更改的概率。

在比特幣網絡中，為了提高交易的置信度，用戶必須等待 6 個區塊確認（約 1 個小時）的確認延時；而如果選擇低延時，比如少于 6 個確認，甚至是 0 確認，則必然導致低置信度，增加「雙花」攻擊的可能。雙花問題是絕大多數加密數字貨幣的核心問題。比特幣中采用 PoW 共識來解決，但鏈本身仍然有分叉的可能，并且需要較長的共識達成過程和確認時間。

同時 Algorand 還想解決比特幣中 PoW 挖礦耗費巨大資源、交易確認時間長、易分叉、網絡呈中心化趨勢，可擴展性差等問題。

1.3 Algorand 是什么？

根據官方描述，Algorand 是一個采用 permissionless 的純 PoS 共識的公鏈項目，結合改進的拜占庭共識協議，可實現快速的交易確認，幾乎不會分叉，并且用戶數可無限擴展，不會影響交易確認速度。同時兼顧「可擴展、安全性、去中心化」這個「公鏈不可能三角」[2]。

（注：「公鏈不可能三角」的正確性和具體定義存在較多爭議 [7]。在 Algorand 中：可擴展性指在較大用戶規模下仍可實現較高的吞吐量 [8]，安全性指的是可以對抗惡意攻擊 [9]，去中心化指的是網絡完全開放，成為節點沒有任何門檻 [10]。）

可擴展性：Algorand 通過可驗證隨機函數（VRF）隨機選擇區塊的生產者和驗證者，一旦得知被選中，生產者或驗證者只需廣播一個簡短的消息即可證明自己的身份。每產生一個新區塊在網絡中需要交換的消息不會隨著用戶數的增大而改變，，因此即使用戶規模增大，系統仍可保持較高的 TPS （每秒處理的交易數）。Algorand 的 TPS 是比特幣的 125 倍。

安全性：由于采用了上述的 VRF 隨機選取生產者和驗證者，并且選取的過程完全由節點獨立完成，因此 Algorand 網絡中的攻擊者無法預先得知下一個區塊生產者和驗證者，從而也就無法完成攻擊。具體來說，生產者和驗證者的身份只有在他們確定自己被選中并廣播對應的證明信息時才會被披露，這時攻擊者即使立刻采取各種攻擊手段，也無法阻止關于新區塊的正確消息在網絡中的傳播。

去中心化：Algorand 中每一輪的區塊生產者和驗證者都是隨機選取的，并且加入網絡沒有任何門檻，因此是完全去中心化的。

下面詳細介紹 Algorand 的共識協議。