详解 Algorand 共识协议的工作原理及优缺点

Algorand 通过创新共识协议设计，同时实现了较高的可扩展性，较好的安全性和一定程度的去中心化，并且所有结论都有较为严格的数学证明，是一种较为创新和严谨的共识机制，但此前所有结果均是理想环境下的数据，且部分代码未开源，虚拟机相关设计也暂未提及，其实现的复杂度、稳定性和实际性能还有待时间的检验。

概述

1.1 引言

Algorand 称其突破了「公链不可能三角」，项目创始人是图灵奖得主、MIT CSAIL 实验室的 Silvio Micali 教授。Algorand 提出的共识协议是项目的一大亮点，本文主要分析 Algorand 共识协议的工作原理，并分析其优缺点。

1.2 Algorand 设计的初衷

Algorand 想解决的核心问题是：去中心化网络中低延时（Latency）和高置信度（Confidence）之间的矛盾 [1]。

其中，延时指从发起交易到确认交易所需要的时间；置信度指的是发出的交易不会再被更改的概率。

在比特币网络中，为了提高交易的置信度，用户必须等待 6 个区块确认（约 1 个小时）的确认延时；而如果选择低延时，比如少于 6 个确认，甚至是 0 确认，则必然导致低置信度，增加「双花」攻击的可能。双花问题是绝大多数加密数字货币的核心问题。比特币中采用 PoW 共识来解决，但链本身仍然有分叉的可能，并且需要较长的共识达成过程和确认时间。

同时 Algorand 还想解决比特币中 PoW 挖矿耗费巨大资源、交易确认时间长、易分叉、网络呈中心化趋势，可扩展性差等问题。

1.3 Algorand 是什么？

根据官方描述，Algorand 是一个采用 permissionless 的纯 PoS 共识的公链项目，结合改进的拜占庭共识协议，可实现快速的交易确认，几乎不会分叉，并且用户数可无限扩展，不会影响交易确认速度。同时兼顾「可扩展、安全性、去中心化」这个「公链不可能三角」[2]。

（注：「公链不可能三角」的正确性和具体定义存在较多争议 [7]。在 Algorand 中：可扩展性指在较大用户规模下仍可实现较高的吞吐量 [8]，安全性指的是可以对抗恶意攻击 [9]，去中心化指的是网络完全开放，成为节点没有任何门槛 [10]。）

可扩展性：Algorand 通过可验证随机函数（VRF）随机选择区块的生产者和验证者，一旦得知被选中，生产者或验证者只需广播一个简短的消息即可证明自己的身份。每产生一个新区块在网络中需要交换的消息不会随着用户数的增大而改变，，因此即使用户规模增大，系统仍可保持较高的 TPS （每秒处理的交易数）。Algorand 的 TPS 是比特币的 125 倍。

安全性：由于采用了上述的 VRF 随机选取生产者和验证者，并且选取的过程完全由节点独立完成，因此 Algorand 网络中的攻击者无法预先得知下一个区块生产者和验证者，从而也就无法完成攻击。具体来说，生产者和验证者的身份只有在他们确定自己被选中并广播对应的证明信息时才会被披露，这时攻击者即使立刻采取各种攻击手段，也无法阻止关于新区块的正确消息在网络中的传播。

去中心化：Algorand 中每一轮的区块生产者和验证者都是随机选取的，并且加入网络没有任何门槛，因此是完全去中心化的。

下面详细介绍 Algorand 的共识协议。