星系共識（Galaxy Consensus）是萬維鏈理論研發團隊全新提出的高效、科學、安全的實用型PoS共識協議，旨在替代原本高能耗的PPoW（permission proof-of-work），也將萬維鏈的共識系統正式開放給廣大社區，邁出完全去中心化的關鍵一步。在當前眾多區塊鏈系統百家爭鳴的形勢下，安全高效的共識協議已經成為大家主要的研究方向之一，PoS、PoA、PoI等等眾多共識模型被相繼提出，而在眾多共識模型中，經過謹慎的思考，萬維鏈認為權益才是左右鏈上治理和發展的根本因素，也就研發了PoS星系共識協議，在群星璀璨的共識節點運轉下，打造屬于萬維鏈的共識星系。

一、整體框架設計

對于共識協議的設計來講，主要解決的就是兩個核心問題：出塊者選擇（Leader selection）和合法鏈選擇（Chain selection）。在傳統的PoW中，出塊者的選擇是通過挖礦進行的，借助的是哈希函數的隨機性，礦工依賴自身的計算能力參與出塊者競爭，而這里的公平性就體現在任何節點對哈希函數結果的不可預測性，任何節點都沒有優勢可言，只能通過簡單粗暴的窮舉運算來解決問題。合法鏈的選擇上往往也是采取最長鏈的規則，也就是讓算力最大的分支成為主流。這樣挖礦+最長鏈規則的框架設置下就導致了大量的能源浪費，也是其他共識協議被提出的根本原因之一。那么當前主流的PoS協議又是通過怎樣的框架設計來解決這一問題的呢？

經過長期的調研學習，我們以三種知名的共識協議來簡單介紹PoS共識的主流框架：

Cardano的Ouroboros是發表在美密會上的頂尖學術論文，也是第一個被工業界采用的可證明安全PoS算法，其卓越的貢獻就在于提出了可證明安全的共識模型框架，并在其中設計了實用的算法模塊。在其多個系列版本中，出塊者選擇上也有不同的方式，由最初利用隨機數的確定性選擇到采用VRF算法的匿名選擇，Ouroboros逐漸將選擇的過程隱私化安全化，而有效鏈的選擇上一直是最長鏈規則，也就是chain based方式，保證了鏈的安全性。所以Ouroboros的整體框架就是VRF selection + Chain based模式。

Algorand是由圖靈獎得主、MIT教授Sivio Micali提出的PoS共識協議，其突出貢獻在于設計了BFT的升級協議BA*協議，利用投票的方式解決了區塊合法性的選擇，在出塊者和驗證者的選擇上Algorand也采用了VRF算法，保證了隨機性和匿名性，經過BA*協議的運行，保證每一個高度的區塊都是被確認的，即使最終是空區塊，也是經過投票認證的。所以Algorand的整體框架就是VRF + BA*投票模式。

Casper是以太坊當前研究開發的PoS共識協議，秉持著實用性的特點，Casper采用了投注式共識，完成保證金質押的驗證者可以投注自己相信會被確認的區塊，在投注規則的限制下保證了最終勝出區塊的唯一性，而勝出的驗證人也將得到收益。Casper將幫助以太坊由PoW轉型為PoS，也是大家十分期待的共識協議。所以Casper的整體框架就是驗證人 + 投注的模式。

簡單介紹了幾種主流PoS共識協議之后，我們回歸到星系共識，經過深入的思考研究，星系共識堅持學術派的發展路線，借鑒了Ouroboros可證明安全的模型框架，全新設計更加高效安全的隨機數生成算法，并創新性設計Unique Leader Selection算法替代VRF算法，用于出塊者選擇，保證了合法出塊者的唯一性，大大降低了自然分叉概率，所以星系共識的整體框架就是ULS + Chain based，在保證安全性的前提下極大地提升了實用性。

二、兩類星體，代表兩種共識節點角色

在星系共識之中，所有在智能合約中質押了WAN的用戶都將成為整個星系中的一個節點，而這些節點由于能力的大小被分為兩種星體：恒星（star）和行星（planet）。

為區分兩種星體，這里就不得不說星系共識中的委托機制，為了給僅持有少量WAN或權益較小的用戶提供參與共識的機會，在星系共識中我們設計了完整的委托機制。委托機制的實現是基于三重ECDSA委托簽名算法，對當前的區塊鏈系統有著天然的兼容性，通過委托機制，持有少量WAN的用戶可以將自身權益委托給代理節點，由代理節點參與共識的運行，同時由于簽名消息空間的限制，代理節點只能代為出塊，無法進行其他操作，保證了用戶權益的安全性。

了解了委托機制，就可以介紹兩種星體的不同。在星系共識中的兩類星體：

恒星節點：是可以接受委托的共識節點，其自身持有一定量的權益，而且其自身權益值將影響其接受委托的權益上限；

行星節點：是不可以接受委托的共識節點，其參與共識完全依賴于自身持有的權益值。

雖然兩種星體能力大小有所區分，但在參與共識的過程中是相同的，并不做區分。希望成為恒星節點，一方面需要更多的權益質押，另一方面也取決于節點的信譽程度，最終方法后續將有詳細說明。

三、兩類星群，負責構建鏈上隨機數和收集交易、打包出塊

星系共識之中，參與節點由于任務分工被劃分為兩個星群：RNP星群和EL星群。這兩個星群都是在所有星系共識節點中，按照自身持有權益比例選擇出來的。但是承擔的任務不同，主要解決了共識中的兩個關鍵問題：

RNP星群是負責構建鏈上隨機數的群體。RNP星群中的節點通過DKG1、DKG2、SIGN三個階段的工作完成隨機數的更新，保證了鏈上隨機數的安全性。正如上面介紹的主流PoS框架所說，如何維護一個公平的隨機數是保證協議安全的重中之重，RNP星群正是承擔著這一關鍵性工作，其每一輪產生的隨機數將作為星群構建、出塊者選擇和其他隨機源應用的重要種子，維持著共識的健康運轉。

EL星群是負責收集交易、打包出塊的群體。EL星群需要完成兩個周期的工作，第一個周期通過SMA1、SMA2兩個階段完成秘密信息序列（secret message array）的協商，完成EL星群內部秘密數據的共享，第二個周期通過秘密信息序列和鏈上隨機數確定出塊權歸屬，并在自身負責出塊的時間段內打包區塊并廣播，完成鏈的生長發展，其作用毋庸置疑，是保證共識安全運行的基礎。

四、星系共識運行流程

介紹了兩種星體和兩類星群之后，我們從一個較高的視角整體的描述星系共識的運行流程，給大家一個直觀的展現，看看星系共識是如何運行的。首先我們介紹兩個時間上的概念：slot和epoch。相信了解過Ouroboros的讀者對這兩個概念應該并不陌生，slot是一個區塊的生成時間，即每個slot內產生一個新的區塊；epoch是由大量連續slot構成的時間周期，是協議完整運行的一個循環。下面分四個步驟講述協議運行流程：

1. 構建星系

這是協議運行的準備階段，在這一階段，所有想要參與星系共識的節點通過在共識智能合約中質押一定量的WAN成為星系節點，質押時會選擇鎖定時間，這一時間將影響節點的權益值，鎖定時間越長，權益值則相應略高，同時權益值隨著鎖定時間的流逝也將呈增長趨勢，這一設計很好的模擬了幣齡的概念，確保了權益設計的合理性和節點參與的公平性。經過這一階段的準備，星系中就出現了大量的節點，這些節點將正式運轉星系共識。

2. 組建星群

在每次協議運行周期（epoch）的起始，星系中會選擇出兩大星群，即RNP星群和EL星群，這兩大星群的選擇是基于節點持有權益值的比例，利用鏈上隨機數進行的隨機選擇過程，類似于follow-the-satoshi，這里我們使用follow-the-stake-ratio，保證了星系節點參與組建星群的公平性，權益占比越高，被選入星群的概率越大，參與共識進而獲得收益的可能性就越大，這也是PoS共識的核心思想之一。

3. RNP星群運轉

RNP星群被選擇組建之后，星群中的節點完成DKG1、DKG2和SIGN三個階段的工作，在DKG1階段，各節點提出自身對隨機數碎片選擇的承諾，保證了碎片選擇的不可更改性，在DKG2階段，各節點將自身選擇的隨機數碎片通過門限秘密分享的方式分享給星群中的其他節點，最終在SIGN階段，各節點公布自身收集的隨機數碎片數據，完成隨機數的生成，更新鏈上隨機數數據。整個過程由于門限秘密分享的特點，保證了只要在線節點數超過門限值就將順利完成隨機數的更新，確保了隨機數生成的可靠性，同時只要星群中至少一個節點在隨機數碎片的選擇上是隨機的，那么最終隨機數結果就是隨機的，保證了隨機數生成的安全性。

4. EL星群運轉

EL星群被選擇組建后，將參與兩個周期（epoch）的工作。在第一個周期中，EL星群節點參與SMA1和SMA2兩個階段工作。在SMA1階段，各節點提出自身秘密信息的承諾數據，保證了秘密信息的不可更改性，在SMA2階段，各節點將自己的秘密信息加密共享給其他節點，完成秘密信息序列（secret message array）的生成。在第二個周期起始時，EL星群中的節點會依據RNP星群產生的隨機數進行排序，這一排序在整個周期中有效，同時依據秘密信息序列執行出塊者選擇算法，確定整個周期內各時間段（slot）的出塊權歸屬，這一過程是在EL星群內部秘密執行的，其他節點無法獲知結果，而EL星群中節點就依據出塊權的歸屬完成整個周期內新區塊的生成。當新區塊被提出時，EL星群中的節點要添加自身合法性的憑證，這一憑證可被全網驗證，確保了鏈的正常安全發展。通過以上的介紹了PoS星系共識的整體框架和運行流程。其中更詳細的內容，可以在星系共識論文中找到具體的描述。