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深入剖析:区块链为什么需要共识机制?

如何保证每一笔交易在所有记账节点上的一致性呢?共识机制解决的就是这个问题。

我们知道区块链是去中心化分布式记账技术,在区块链系统当中,没有一个像银行一样的中心化记账机构,如何保证每一笔交易在所有记账节点上的一致性呢?共识机制解决的就是这个问题,因此也可以说共识机制是区块链的灵魂。
一、区块链为什么需要共识机制

由于加密货币多数采用去中心化的区块链设计,节点是各处分散且平行的,所以必须设计一套制度,来维护系统的运作顺序与公平性。

1.什么是共识机制

统一区块链的版本,并奖励提供资源、维护区块链的使用者,以及惩罚恶意的危害者。这样的制度,必须依赖某种方式来证明,是由谁取得了一个区块链的打包权(或称记帐权),并且可以获取打包这一个区块的奖励,又或者是谁意图进行危害,就会获得一定的惩罚,这就是共识机制。

简单来说,我们要一种机制来选择哪个矿工来把交易写入区块链。比如今天听课的同学有100人,我们分成50组打乒乓球,那么我们有50组比分要记录。

2.分布式记账及“挖矿”

传统的中心式记账,意味着我们需要一个组委会来记录比分。这样就可能会出现徇私舞弊的情况,所以需要我们采用去中心化的方法。这意味着,这50桌每组都要记录比分。不光自己的,还要记录别人的。这就是分布式或者说去中心化的记账方法。

但是,这样做效率太低。大家必须要花大量的时间做这件事情。所以区块链的设计是,我们找一些矿工来记录比分。对于这些矿工,我们会给予奖励,从而鼓励他们为大家记录比分,记录完了以后再给每一桌复制一份。

这个奖励,在比特币系统里面就是比特币的由来。交易本身并不产生新的货币,矿工记录比分才生成货币,也就是说,代币的目的是为了奖励付出努力的人,这就是”挖矿“的原理。

既然有奖励,那么现在问题来了。譬如比特币,每次记账(10分钟)可以产生12.5个比特币(现在,过去是50个),按照今天的价格,就是50万人民币。那么肯定有很多矿工都抢着给大家计分,来获取这个报酬。

那么应该怎么选择一个矿工出来?这就需要用到“共识机制”,也就是说,大家都根据某种规则,同意让我们今天的某一位同学来记录大家的比分,记录完毕的奖励都给他。

当然,例子比较简单,不过本质上就是这回事。这个乒乓球比赛,就可以理解为一笔交易。比分,就是记账。记录比分的人,就是矿工。奖励的钱,就是比特币或者代币。

二、共识机制的工作原理和重要性

首先,交易发起方构造交易,加上数字签名,广播到区块链P2P网络之中。然后, 区块链网络中的“矿工”节点陆续收到这笔交易。然后,所有矿工都会把交易打包到自己构建的备选区块之中,然后将自己的备选区块广播。

这时候,全网根据”共识机制“来决定哪个矿工负责写入这个区块。然后这个矿工将会负责把这个区块添加到区块链上,完成该区块中的所有交易。最后交易完成,交易参与方可以查询到交易执行结果。

那么, “共识机制”是从什么时候出现的?

1982年, Lamport首次发表了关于拜占庭将军问题解决方案的论文,后来获得了计算机界的最高奖:图灵奖。

1999年,Jakobsson发表了关于PoW的论文。

2008年11月,中本聪发表了比特币的论文,并用了PoW作为共识机制。

2012年,PeerCoin项目开始采用PoS作为共识机制。

2016年,Tendermint项目开始采用PBFT作为公示机制。

2018年,以太坊项目提出在2.0版本中,通过Casper方法采用PoS作为共识机制。实际上,V神今天正在欧洲介绍这方面的最新进展。

三、共识机制的基本要求和不可能三角

这里需要提的是,任何分布式系统(包括比特币甚至货币),都存在一个不可能三角形:性能、可扩展性和去中心化。

譬如人民币,性能和可扩展性很高(每天无数人用它来交易),但是去中心化低(央行想印多少就印多少)。对于比特币,去中心化程度高,可扩展性也高,但是性能低。

所以在设计、选择共识机制时候,我们必须记住这三点:我们应该优化哪一方面,牺牲哪一方面,因为你不可能同时达到这三点。另外,所有的共识算法必须具备三个基本要求:

1.一致性 (safety):所有参与共识的诚实的节点,得到的计算结果是相同的,而且是符合共识协议的。

  1. 终局性 (liveness):所有参与共识的诚实的节点,最终可以达成一致性结果。

  2. 容错性 (fault tolerance):在共识算法的成功执行过程中,可以容许参与共识的节点发生一些错误。

四、共识机制的种类

1.POW(工作量证明)

如上所述,为了鼓励人们主动记账,中本聪决定给记账的人发奖励,这就是“比特币”的由来。而记账的人就是“矿工”。

由于不同的“矿工”都希望获得记账权,为了给每个区块选择一个全网认可的“矿工”,就需要 “矿工”给出一个证明,就是所谓“工作量证明”, 选出的矿工可以获得12.5个比特币作为奖励。

奖励以每四年减一半的速度递减,矿工的收益的另一部分来自于每笔交易产生的手续费,到2140年无币可奖励的时候,矿工的奖励将全部来自于交易的手续费。

现在关键来了,工作量证明是什么意思?

还是以乒乓球比赛为例。如果有一个人来计分,我们会希望他们不能太慢,但是也不能太快。太慢的话,会积累很多比分要记录,最后大家都要等他们。太快的话,会干扰我们的正常比赛。大家比赛中间要停下来,跟他们谈话,这个效率很低。

为了保证节点之间的同步,新区块的添加速度不能太快。区块链的发明者中本聪故意让添加新区块变得很困难。只有通过极其大量的计算,才能找到一个随机值,使得区块的哈希值符合一定的条件。这个过程就叫做挖矿(Mining)。

“矿工” 的工作其实就是猜出这个随机项的值,使得区块的哈希值可以小于目标值,从而能够写入区块链。这个随机项的值,必须通过穷举计算来获得,也就是说,所有的矿工(计算机)必须反复不停地尝试从0开始的所有整数,直到他们找到这个随机值(nounce)。找到了,他们就发财了。

举个简单的比喻,“挖矿” 的过程其实类似于打麻将, 四方最后有一方凑出了胡牌的牌型,就当与生成了一个达到要求的区块哈希值,胡牌的人就成了 “矿工”,得到相应的奖赏(比特币)。胡完一牌,就是一个区块生成,所以当前交易记录在内。

然后大家接着下一局,继续凑胡牌牌型。如果一局没有人胡牌,也就是大家花了时间,但是没有生成区块,就重新开局。如果投入的时间/资源,小于获得的奖赏,这个矿工就亏了。但是,如果有人摸了两把就胡牌了,相当于很快就找到了这个哈希值, 这个矿工就大赚了。

这样,全世界成千上万台“矿机”们,都在不眠不休地计算中本聪出的这道数学题,为获得奖励的比特币而“废寝忘食”,这就是工作量证明的原理。

具体来说,工作量证明(PoW) 或者说挖矿算法,目的就是寻找一个特殊的数字(nounce),使得哈希值(即SHA256 函数)的输出字符串的前n位是零。

所以,通过POW,我们可以找到一个矿工。但是网络上有那么多的节点,怎么确保所有节点都使用同一个区块链呢?

中本聪为此提出了著名的一致性判别方法:如果一个节点的区块链与另外一个节点的不同,这就意味着冲突。解决这个问题的办法就是,“最长的有效的链”应当获得认可。换句话说,网络上最长的链就是事实上的标准链。

利用这种算法,我们可以在我们网络中的所有节点中达成共识。PoW的本质,是选择计算量最大的链条最为主链条。这样,即使有人恶意破坏,也要付出大量的经济成本,达到不可承受的程度。

举个例子,如果你去一个医院柜台排队,有好几条队,你应该选择哪一条?按照中本聪的规则,你应该派最长的那条队,因为里面的人排得最久,所以最不容易被保安驱散。

也就是说,这套机制会找出最长的一条队伍是合法的,奖励其中排得久的人,并让不合法的分叉队伍重新排队。只要大部分人不傻,就会自觉在最长的队伍上排队。

PoW的优点

  1. 架构清晰,有效可靠。

  2. 要获得多数节点的认可,攻击者必须投入超过51%的计算量,才能保证篡改结果。

3.公平:这种机制类似于多劳多得,干的多,收获也多。

PoW的缺点

  1. 数据冗余:所有数据都要在所有节点备份一遍。

  2. 消耗能源:现在挖矿占到了全球0.13%的电力消耗。挖掘一枚比特币,相当于一辆汽车驾驶20万公里的碳排放量。

  3. 信息网络延迟:区块链,每10分钟才能生成一个区块,完成其中的交易,以太坊略有提高,每秒交易在几百笔以内,相比之下,阿里巴巴双11的交易速度是31.5万笔/秒。

  4. 算力垄断:有些拥有大量算力的公司,实际上已经拥有了某些公链或者dApp超过51%的算力,可以篡改结果,这样就与加密货币或者中本聪的去中心化背道而驰。

2.POS(权益证明)

PoS即权益证明,最早由Sunny King于2012年创立的PPC(点点币)采用,它可以解决上面提到的浪费算力的问题。

简单来说,它选举矿工的规则是:谁有钱谁更有可能获得挖矿权。也就是说,挖矿成功的概率与矿工持有的代币数量成正比。

回到乒乓球比赛的例子,也就是谁比分最高,让谁来记,这样鼓励积极比赛的人。

这样的好处:

  1. 不需要算题,所以节约能源。

  2. 攻击者需要更高的成本,因为他需要购买大量的代币才能获得51%的篡改权。

缺点是:

  1. 因为持有量越多的人获得的奖励越多,变成了资源垄断,富者越富,穷者越穷。

  2. 因为挖矿权跟持有的货币成正比,所以就类似于利息高的情况下,大家就不愿意花钱,而把钱都存银行一样,这样会变成所谓的”屯币“,降低代币的流通性。

采用PoS机制的项目目前来说,主要是以太坊2.0(将要推出)、PIVX和NAVCOIN这几个项目。

3.DPOS(代表权益证明)

DPOS(DELEGATED POS)是POW的一个分类,就是代表制POS。也就是说,我的钱少但是我也要获得挖矿权,怎么办,我委托一个代表来做这个事。

以EOS为例,它在全球选出了21个超级节点,所有用户可以投票决定这些节点,也可以投票废弃、更换这些节点。

这样做的好处是:

1.不需要耗费能源和硬件。

2.缩短了区块确认时间(超级节点可以负责),提高了效率。

  1. 不需要挖矿,也不需要完全验证,只需要部分见证节点验证,简单、高效。

但是问题也很明显:

  1. 这已经不是去中心化,而是完全的中性化了。

  2. 节点选举过程存在巨大的人为操作空间。

4.PBFT(实用拜占庭容错)

实用拜占庭将军问题解法(PBFT),这个机制跟前面两种都不一样,也就是说,我不需要矿工,我也不需要挖矿。

我通过周围的人,来判断我记录的账本对不对就行了。也就是说,一个人打完一场比赛以后,我们全部50桌都记录一遍。

那么怎么判断我记录的对不对?我问我身边的几桌,譬如我周围有四桌,如果三桌都说结果是王二战胜李四,那么即使第四个桌说王二输给李四了,我也不用担心,我知道肯定结果就是王二战胜李四。

所以听起来很玄乎的拜占庭将军问题,就是这么简单的一回事。如果你周围有四个人,你问他们今天路上堵不堵车。如果三个人说堵车,另外一个人说不堵车。你就可以确认,路上是堵车的,也就是达成一致意见。

但是注意,达成一致意见,并不意味着意见是正确的。有可能这三个人合起伙来骗你,那么这种情况下,也是达成一致,只不过一致的结论实际上是错误的。拜占庭算法只解决是否能达成一致意见的问题,不考虑意见是否正确。

具体来说,就是在一个分布式系统中,在N≥3F+1的情况下,一致性是可能实现的(N为计算机总数,F为有问题的计算机总数)。信息在计算机间互相交换后,各计算机列出所有得到的信息,以大多数的结果作为解决办法。

PBFT的优点:它不需要矿工,不需要确认,节约能源

但是缺点是:这种模式需要节点之间进行大量可靠的网络通信(就是我不停地要问周围的乒乓球桌,比分是多少,设想一下有50桌、500桌、5000桌的情况,这个通信强度呈指数级增加)。因此,这种方法只适用于一小群节点,譬如联盟链。

总结:按照《经济学人》杂志的说法,区块链是一个信任机器。信任由共识产生,而具体的共识机制包括PoW、PoS、DPoS、PBFT等等。具体选择哪一种方法,与项目和应用有关,不应一概而论。


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