第3讲 | 浅说区块链共识机制

Posted 2021-01-05 sueyyyy

————文章出自极客时间《深入浅出区块链》   作者：元界 CTO 陈浩　　

　　我在第2讲“区块链到底是怎么运行的”一文中，提到了“打包Transaction”和“广播交易”这两个概念，因为概述的原因，当时只带着你走了一遍过程。其实，以上谈到的两个内容正是区块链最核心的技术内容之一：共识机制。

　　区块链发展至今，已经形成了各种不同类型的共识机制，在今天的文章中，我们就展开聊一聊区块链共识机制到底是什么，以及区块链的共识过程到底是怎样的。

分布式系统的经典问题： 拜占庭将军问题

　　拜占庭将军问题其实是虚构出来的一个故事，是为了方便通俗地介绍分布式系统所面临的难题。这里我仅作一个简短的说明，你可以在中文社区找到更丰富的通俗解释材料。

　　为了避免重复，我们换一种表述形式，还是以上一次的村子为例，假设随着村子和人口的发展，大村子演变成了十一个小村子并分散在各地，各地的通信只能靠信鸽进行。

　　大家约定了每年都会举办一个相亲大会，至于谁能举办，每年轮流从两个备选村子，A村和B村中选择一个，然后大家投票，票数多者可以赢得举办权。

　　由于地图很大，任何一个村子的投票都无法靠一只信鸽传输到每个村子，必须靠一个中继村子代为传输，这也就意味着有中继村子可以读到其他村子的投票信息。

　　那么，如何防止下面两个问题的出现呢？

1. 投票者的“精分”，这里所谓的“精分”是指某个村子的投票行为不一致，发送给第一个村子的投票消息为“投票给A”，而发送给第二个村子的投票消息却为“投票给B”。
2. 中继村子作弊，即篡改上一村的投票消息。

上面讨论的问题我们可以认为是简化的 “拜占庭将军问题”（完整的拜占庭将军问题还有将军-副官模型，如果感兴趣的话，你可以自行阅读）。

我们回头再看区块链。区块链本质上也是分布式系统的一种，其共识机制也是为了上述问题而提出的解决方案。

什么是区块链共识机制？

　　共识机制是区块链是核心的组成要素之一，它决定了区块链的业务吞吐量、交易速度、不可篡改性、准入门槛等等，是最为关键的技术要素之一。

　　要理解区块链共识机制，首先就需要理解区块链共识机制到底解决了什么问题。

　　共识机制主要解决了两个问题：

1. 谁有权利；
2. 作弊问题。

　　上一次我们构造了一个中心化记账的场景，在这个场景下，记账问题其实可以简化为大家信任中心记账者即可。

　　然而在分布式记账的场景下，问题更为复杂。首先，大家面临的最大问题是谁有权利记账，其次是如何避免记账者作弊。毕竟，谁都有权利记账，也就意味着谁都有可能作弊。

　　以上两部分共同构成了区块链共识机制。

　　另外补充一点，在比特币社区，“共识”（consensus）这个词已经跳出了技术的范畴。通常人们在表述一个比特币上的问题时，共识的内涵还包括比特币的使用者、开发者、矿工来达成社区共识的部分，所以“共识”这个词在区块链领域还有些“民主”的味道，不单单是技术领域的“共识”。

最经典的入门型共识机制：PoW工作量证明

　　PoW （Proof of Work）工作量证明可以解决上述的两个问题，

　　在上一篇文章中，其实我们已经悄悄讲解了一点PoW共识机制，你还记得上文提到的“24点”那个游戏吗？“24点”其实是尽可能随机地选取系统中任意的节点来规避作弊者，这个方案的实践其实就是PoW共识机制。

　　产生记账者的随机性其实来自于谁最先计算出24点的答案，这个问题可以简化成谁拥有的计算资源更多，谁就拥有整个系统的最大概率的记账权。一旦这个概率超过一半以上，那么这个系统就有一定的中心化风险。

　　如何理解上面一段话呢？

　　举个例子，李四家发明了一种算盘，可以快速计算24点答案，比起其他人掰手指头，李四家总是有很大的概率拿下记账权，换句话说，也就是李四和全村其他所有人竞争，相当于算盘对全村其他人手指头的竞争。

　　如果算盘足够强大，就能有一半的概率获得记账权，那么李四个人的诚实性，就成为了系统的唯一破绽。

　　比如李四在第一次记账时篡改部分交易，第二次还是他记账，还继续篡改交易，那么两次修改如果自洽的话，是可以形成假账的，这就是所谓的中心化风险。

　　所以在PoW这种机制中，计算资源（又称算力）是决定记账权的唯一因素。与之对应的，便是计算难度。

　　计算难度又称作挖矿难度，计算难度是区块链为了控制产生答案的速度，比如平均10分钟就有一个答案产生，平均2分钟一个答案产生。

　　在上述场景中，因为李四有了算盘，强大的计算资源突然加入以后，肯定会让整个系统的产生答案的速度变快很多，作为系统本身会自适应，将难度提升，降低答案产生的速度。

　　上面介绍了这么多，其实是想引出另外一个问题，PoW到底是如何避免作弊者的呢？答案就是计算资源（算力）。

　　设想，如果一个作弊者想篡改信封里面的交易，首先得获得记账权，也就是装信封的权利。

　　而影响记账权的唯一因素只有计算资源（算力）的大小，如果想篡改交易，只能投入大量的计算资源与整个系统中其他所有人进行对抗，这是十分困难的，尤其在整个系统有一定基础计算资源（算力）的情况下。

　　PoW中一个有趣的设计是激励机制，在PoW共识机制下，我们假设所有参与者都是理性的，理性的意思就是单纯逐利，不考虑家庭、爱好等其他因素。有了理性的前提，PoW共识机制会给每个诚实的记账者予以奖励，这个设计可以抗击作弊收益的问题。

　　怎么进行抗击的呢？整个过程是这样的，理性的人如果作弊、篡改账本肯定需要投入成本，也就是计算资源，收益是篡改账本获得的收益减去投入成本，这个收益往往小于诚实计算所获得的收益。所以，作弊者在作弊过程中投入的计算资源过大，反而得不偿失。

PoW工作量证明的补充：解决双花攻击

　　上面给出了一个结论，我们说作弊的收益往往小于诚实计算的收益。这一点其实对应到区块链领域有个著名的问题：双花攻击（double-spending） 。

　　双花攻击是指一个代币被花费了两次，这在任意的区块链系统中是不被允许的。如果避免了双花问题，基本就能避免上述作弊中收益过大的问题，因为攻击者首先要窃取到你的私钥，同时又能控制了你的计算资源（算力）。

　　为了方便分析，我们回到上一篇中广播交易的那一节。那一节中我介绍了广播的内容分为两种，第一种是Transaction，第二种是区块，也就是信封。

　　第一种又被称为未确认的Transaction，第二种信封中所有的交易被称作已确认的Transaction。

　　所有记账节点都会遵循以下两条规则：

　　规则一：一个代币如果已经被花费，那么会被标记成已花费，如果再次接收到这个代币被花费的请求，那么记账节点会拒绝打包这笔交易；

　　规则二：如果同时接收到两个信封，这两个信封中装的两笔交易出现了一个代币被花费了两次的情况，这种情况也就是我们所说的分叉（Fork），那么选择挖矿难度比较大的那个信封。

　　规则一避免了未确认的交易出现双花，规则二基本避免已经确认的交易中（信封中）的双花问题。　

　　假设作弊者的计算资源（算力）占整个系统的30%，那么连续两次获得记账权的概率是9%，看起来作弊的可能性还是挺高的，如果是连续6次获得记账权呢？概率直降到万分之七。

　　在比特币中，这个6也就是6次确认，表示连续6个块过去了，如果我的交易没有被双花的话，那么它被篡改的可能性将越来越小，最后变得几乎不可能被篡改。这也是区块链不可被篡改说法的由来。

　　试想，如果任何作弊者花了大量的成本获取了系统30%的计算资源（算力），最后只有万分之七的概率获得篡改的可能性，比起作弊，还不如诚实记账的收益高。

总结

　　好了，今天带你了解了区块链的共识机制，也顺便浅谈了拜占庭将军问题，介绍了区块链的入门共识机制PoW，它其实也是目前区块链领域使用最广泛，应用最成熟的共识机制。

　　最后，还涉及了一部分PoW工作量证明的补充：解决双花攻击。由于篇幅所限，我们将在技术篇详细讲解PoW、PoS、DPoS等共识机制。