区块链共识机制的深入剖析

当前位置:首页 > 区块链 > 区块链知识 发布时间:2018-11-09编辑:来源:www.chgold.com阅读数: 手机阅读
区块链解决了在不可信信道上传输可信信息、价值转移的问题,而共识机制解决了区块链如何在分布式场景下达成一致性的问题,也是保障区块链系统不断运行下去的关键。本期嘉宾崔伟将用一个简单的例子,深入剖析“共识机制”。主要内容:1. 区块链为什么需要共识机制;2. 共识机制的工作原理和重要性;3. 共识机制的基本要求和不可能三角;

4. 共识机制的种类;

主讲嘉宾

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。2. 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。3. 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,譬如比特大陆,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。3. 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。

转自:公众号(计然区块链研究院

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