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    區塊鏈大事件

    工作量證明(POW)不是共識協議:理解區塊鏈共

    發布時間 2019-04-08 09:32
    區塊鏈和分布式算法是由許多層組成的復雜技術。很少有人詳細了解底層區塊鏈技術和分布式算法。老實說,這很好。專門化的本質意味著不同的專家專注于不同的層,最終就會將好的結果契合在一起。
    然而,當涉及到協商共識的協議時,有一些半真半假的說法需要解決。理解共識是為應用程序選擇正確的區塊鏈平臺和配置的先決條件。做出錯誤的選擇可能導致效率低下和不安全的設置。

    以下是一些關于區塊鏈共識的錯誤陳述,它們經常被提及:

    “工作量證明是一項共識協議?!?/span>
    “只要沒有人能控制超過50%的網絡,區塊鏈協議就是安全的?!?/span>
    “區塊鏈共識是低效和耗能的?!?/span>
    “比特幣首先在拜占庭式的環境中解決了共識問題?!?/span>

    因此,讓我們仔細研究一下共識并消除一些誤解。

    區塊鏈共識的兩個步驟

    共識協議解決了計算機科學中的一個經典問題:許多平等的參與者如何才能就事件的全局觀點達成一致?在區塊鏈術語中,這意味著同意處理交易的特定順序。區塊鏈共識的目標是在所有節點上維護完全相同的歷史副本。

    在集中的系統中,解決這個問題很容易:中央協調器可以簡單地強制執行交易順序。在分布式系統中,這是不可能的,需要更復雜的機制。

    在區塊鏈中添加分類賬的過程包括向分布式數據結構添加一個新塊。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成共識。前者涉及決定哪個節點生成下一個塊,后者關注的是一個新塊是否被接受到區塊鏈數據結構中。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,在授權人數固定的情況下,輪流是一個非常好的選擇。這通常是企業設置中使用的公共區塊鏈的情況。

    然而,這樣的方案在公共區塊鏈(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絡。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,這可能導致系統被欺騙。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濟困難。

    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可以與許多協商共識算法結合使用。事實上,我們將在下一節中發現,比特幣的共識算法非常簡單,提供的是非常弱的保證。

    權益證明(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,并根據計算能力依賴于經濟實力的觀察結果,用經濟財富來衡量中彩票概率。明顯的優勢是減少了與PoW相關的能源消耗。

    共識算法

    在區塊鏈系統中,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行的。參與者必須就是否包括區塊達成協議。比特幣和類似的區塊鏈,包括以太坊,并不真正執行任何特定的算法來達成這樣的協議。相反,他們選擇了一種不干涉的方法,只允許暫時的分歧,并建立一個規則,即最強的鏈獲勝,即由網絡的大多數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。這種形式的協商共識意見有時是Nakamoto協商共識意見,對該網絡所能提供的保障具有深遠的影響。

    甚至在比特幣和區塊鏈系統發明之前,分布式系統的研究人員就已經開發出了許多工作方式截然不同的共識協議。BFT協商共識協議執行網絡參與者之間的若干輪通信,以投票決定是否包含一個塊,并達成堅定的協議。


    BFT共識投票 數學上已經證明,只要不到三分之一的參與者沒有表現出惡意,這種協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,這種協議主要用于驗證器數量有限且預先已知的情況,例如在混合區塊鏈或授權區塊生產者數量較少的區塊鏈中。

    BFT共識協議的區塊鏈實現包括BFT和Tendermint。事實上,最近流行的適應于區塊鏈系統的BFT共識已導致對這一經典領域的研究興趣重新燃起。例如,Sikoba Research最近就在BFT共識性優化方面進行了大量工作。

    最后的話

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

    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個額外的區塊,等待一個區塊中包含的交易被確認。這意味著,平均而言,比特幣交易在大約一小時后被認為是安全的,這是因為基于實踐的啟發,而不是強大的協議保證。

    相比之下, BFT共識協議提供了強有力的保障。一旦一個區塊以三分之二的多數票被納入,交易就可以被認為是安全的。這意味著使用這種協議的區塊鏈可以更加敏捷,并且可以在非常短的時間內提供交易終結性。然而,如上所述,BFT共識只有在相對較少的驗證器(考慮數百而不是數千)的情況下才能實際實現。

    在區塊鏈互操作性和分片解決方案中,終結性也變得非常重要。前者側重于不同區塊鏈之間的交互,后者指的是出于可伸縮性的原因將區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行。在一個鏈上的交易已經被轉移到其他鏈上之后,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小工具中找到,它在較弱的協商共識協議之上構建一個較強的終結層。

    委托權益證明

    對區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益證明 (dPoS)。dPoS方法使用一個代幣作為投票機制,以選擇數量較少且固定的驗證器來執行協商共識協議。

    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行非常有效的協商共識協議。這意味著,dPoS可以結合公共區塊鏈和BFT共識的優勢,為開放網絡帶來幾乎即時的終結性,所有參與者都可以在一定程度上參與其中。

    dPoS區塊鏈中的安全性是當前研究的主題,并且與治理密切相關。從本質上講,挑戰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將驗證器的數量減少到21個節點,從而提供一個非??斓钠脚_。其他系統,例如最近推出的Cosmos hub,非常強調安全性,并試圖實現真正的分散化。

    當然,對于dpoS來說,cartel的形成和集中是真正的風險。另一方面,由少數幾個礦池(位于電力便宜的地方)主導的PoW能被認為是分散的嗎?

    結論

    共識并不像表面上那么簡單。與計算機科學中的任何東西一樣,必須進行權衡,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議的所有技術細節,但是在為給定的應用程序選擇區塊鏈平臺之前,理解共識協議的基礎知識是很重要的。因為關于這個問題已經發表了大量的錯誤信息。

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