區(qū)塊鏈和分布式算法是由許多層組成的復(fù)雜技術(shù)。很少有人詳細(xì)了解底層區(qū)塊鏈技術(shù)和分布式算法。老實說，這很好。專門化的本質(zhì)意味著不同的專家專注于不同的層，最終就會將好的結(jié)果契合在一起。

然而，當(dāng)涉及到協(xié)商共識的協(xié)議時，有一些半真半假的說法需要解決。理解共識是為應(yīng)用程序選擇正確的區(qū)塊鏈平臺和配置的先決條件。做出錯誤的選擇可能導(dǎo)致效率低下和不安全的設(shè)置。

“工作量證明是一項共識協(xié)議?！?/p>

“只要沒有人能控制超過50%的網(wǎng)絡(luò)，區(qū)塊鏈協(xié)議就是安全的?！?/p>

“區(qū)塊鏈共識是低效和耗能的。”

“比特幣首先在拜占庭式的環(huán)境中解決了共識問題?！?/p>

因此，讓我們仔細(xì)研究一下共識并消除一些誤解。

區(qū)塊鏈共識的兩個步驟

共識協(xié)議解決了計算機科學(xué)中的一個經(jīng)典問題：許多平等的參與者如何才能就事件的全局觀點達(dá)成一致？在區(qū)塊鏈術(shù)語中，這意味著同意處理交易的特定順序。區(qū)塊鏈共識的目標(biāo)是在所有節(jié)點上維護(hù)完全相同的歷史副本。

在集中的系統(tǒng)中，解決這個問題很容易：中央?yún)f(xié)調(diào)器可以簡單地強制執(zhí)行交易順序。在分布式系統(tǒng)中，這是不可能的，需要更復(fù)雜的機制。

在區(qū)塊鏈中添加分類賬的過程包括向分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)添加一個新塊。這包括兩個主要步驟，每個步驟都有自己的算法選擇：選擇塊提議者和就包含所提議的塊達(dá)成共識。前者涉及決定哪個節(jié)點生成下一個塊，后者關(guān)注的是一個新塊是否被接受到區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。這兩個步驟同樣重要，但完全不同。

塊提議者選擇算法

選擇下一個塊生成器最簡單的方法就是輪流或隨機選擇下一個塊生成器。事實上，在授權(quán)人數(shù)固定的情況下，輪流是一個非常好的選擇。這通常是企業(yè)設(shè)置中使用的公共區(qū)塊鏈的情況。

然而，這樣的方案在公共區(qū)塊鏈（任何人都可以自由參與）中不起作用，比如比特幣或公共以太坊網(wǎng)絡(luò)。就像彩票一樣，參與者可以通過買取大量的彩票來提高他們的獲獎機會。如果彩票是免費的或非常便宜，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)被欺騙。這種情況稱為西比爾攻擊。因此，需要有一種機制來對買票行為附加經(jīng)濟(jì)困難。

工作量證明（PoW）就是這樣一種機制。所謂的“挖掘”給參與塊生成器選擇算法帶來了成本。參與者可以獲得很多票，但是他們必須為提高計算能力而付費。因此，PoW根本不是一個共識的算法，它只是一個用于選擇下一個塊生成器的抗sybill工具。理解這一點很重要，因為PoW可以與許多協(xié)商共識算法結(jié)合使用。事實上，我們將在下一節(jié)中發(fā)現(xiàn)，比特幣的共識算法非常簡單，提供的是非常弱的保證。

權(quán)益證明（PoS）是選擇下一個塊生成器的類似工具。在這種情況下，計算能力被簡單地消除，并根據(jù)計算能力依賴于經(jīng)濟(jì)實力的觀察結(jié)果，用經(jīng)濟(jì)財富來衡量中彩票概率。明顯的優(yōu)勢是減少了與PoW相關(guān)的能源消耗。

共識算法

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，實際的共識性算法是在被選擇的塊生成器提出一個塊之后執(zhí)行的。參與者必須就是否包括區(qū)塊達(dá)成協(xié)議。比特幣和類似的區(qū)塊鏈，包括以太坊，并不真正執(zhí)行任何特定的算法來達(dá)成這樣的協(xié)議。相反，他們選擇了一種不干涉的方法，只允許暫時的分歧，并建立一個規(guī)則，即最強的鏈獲勝，即由網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)計算能力支持的鏈獲勝。臨時分叉是可以接受的，而且確實很常見。這種形式的協(xié)商共識意見有時是Nakamoto協(xié)商共識意見，對該網(wǎng)絡(luò)所能提供的保障具有深遠(yuǎn)的影響。

甚至在比特幣和區(qū)塊鏈系統(tǒng)發(fā)明之前，分布式系統(tǒng)的研究人員就已經(jīng)開發(fā)出了許多工作方式截然不同的共識協(xié)議。BFT協(xié)商共識協(xié)議執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)參與者之間的若干輪通信，以投票決定是否包含一個塊，并達(dá)成堅定的協(xié)議。

BFT共識投票

數(shù)學(xué)上已經(jīng)證明，只要不到三分之一的參與者沒有表現(xiàn)出惡意，這種協(xié)議就能保持正常運行。BFT共識的缺點是，由于涉及的通信開銷，它的伸縮性很差。因此，這種協(xié)議主要用于驗證器數(shù)量有限且預(yù)先已知的情況，例如在混合區(qū)塊鏈或授權(quán)區(qū)塊生產(chǎn)者數(shù)量較少的區(qū)塊鏈中。

BFT共識協(xié)議的區(qū)塊鏈實現(xiàn)包括BFT和Tendermint。事實上，最近流行的適應(yīng)于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的BFT共識已導(dǎo)致對這一經(jīng)典領(lǐng)域的研究興趣重新燃起。例如，Sikoba Research最近就在BFT共識性優(yōu)化方面進(jìn)行了大量工作。

最后的話

Nakamoto 共識與BFT共識的差異影響著終結(jié)性。終結(jié)性涉及可以在一個塊上提供的保證，因此，一個塊內(nèi)的交易無限期地包含在鏈中。本質(zhì)上，強終結(jié)性意味著將來不會拒絕該塊，從而導(dǎo)致交易被撤消。

Nakamoto 只提供了概率確定性。這意味著，一個塊最終成為一個塊的概率隨著鏈中添加的每個額外塊的增加而增加，但從來沒有達(dá)到理論上的確定性。例如，在比特幣中，我們通常被建議等待6個額外的區(qū)塊，等待一個區(qū)塊中包含的交易被確認(rèn)。這意味著，平均而言，比特幣交易在大約一小時后被認(rèn)為是安全的，這是因為基于實踐的啟發(fā)，而不是強大的協(xié)議保證。

相比之下， BFT共識協(xié)議提供了強有力的保障。一旦一個區(qū)塊以三分之二的多數(shù)票被納入，交易就可以被認(rèn)為是安全的。這意味著使用這種協(xié)議的區(qū)塊鏈可以更加敏捷，并且可以在非常短的時間內(nèi)提供交易終結(jié)性。然而，如上所述，BFT共識只有在相對較少的驗證器（考慮數(shù)百而不是數(shù)千）的情況下才能實際實現(xiàn)。

在區(qū)塊鏈互操作性和分片解決方案中，終結(jié)性也變得非常重要。前者側(cè)重于不同區(qū)塊鏈之間的交互，后者指的是出于可伸縮性的原因?qū)^(qū)塊鏈分割成更小的塊。無論哪種情況，通信都必須跨不同的鏈進(jìn)行。在一個鏈上的交易已經(jīng)被轉(zhuǎn)移到其他鏈上之后，在這個鏈上撤消交易將非常不方便。解決這個問題的部分方法可以在所謂的終結(jié)小工具中找到，它在較弱的協(xié)商共識協(xié)議之上構(gòu)建一個較強的終結(jié)層。

委托權(quán)益證明

對區(qū)塊鏈共識的一個非常有趣且常常被誤解的折衷解決方案是委托權(quán)益證明 （dPoS）。dPoS方法使用一個代幣作為投票機制，以選擇數(shù)量較少且固定的驗證器來執(zhí)行協(xié)商共識協(xié)議。

這意味著可以簡化委托之間的塊生成器選擇，并且較小的驗證器集可以執(zhí)行非常有效的協(xié)商共識協(xié)議。這意味著，dPoS可以結(jié)合公共區(qū)塊鏈和BFT共識的優(yōu)勢，為開放網(wǎng)絡(luò)帶來幾乎即時的終結(jié)性，所有參與者都可以在一定程度上參與其中。

dPoS區(qū)塊鏈中的安全性是當(dāng)前研究的主題，并且與治理密切相關(guān)。從本質(zhì)上講，挑戰(zhàn)在于確保代表的投票是公平的，并建立防止cartel機制的形成。值得注意的是，dPoS應(yīng)該被看作是分散化和性能之間的可配置平衡。在極端情況下，EOS將驗證器的數(shù)量減少到21個節(jié)點，從而提供一個非常快的平臺。其他系統(tǒng)，例如最近推出的Cosmos hub，非常強調(diào)安全性，并試圖實現(xiàn)真正的分散化。

當(dāng)然，對于dpoS來說，cartel的形成和集中是真正的風(fēng)險。另一方面，由少數(shù)幾個礦池（位于電力便宜的地方）主導(dǎo)的PoW能被認(rèn)為是分散的嗎？

結(jié)論

共識并不像表面上那么簡單。與計算機科學(xué)中的任何東西一樣，必須進(jìn)行權(quán)衡，且目前還沒有一個理想的解決方案。雖然不可能讓每個人都理解不同共識協(xié)議的所有技術(shù)細(xì)節(jié)，但是在為給定的應(yīng)用程序選擇區(qū)塊鏈平臺之前，理解共識協(xié)議的基礎(chǔ)知識是很重要的。因為關(guān)于這個問題已經(jīng)發(fā)表了大量的錯誤信息。