科普：區塊鏈與分布式系統_比特幣

編者按：本文來自登鏈社區，Odaily星球日報經授權轉載。區塊鏈技術的火熱推動了傳統分布式技術的進一步發展。從區塊鏈技術的本質來看，基本脫離不開傳統分布式系統跟密碼學的核心技術。那么區塊鏈技術真的值得去研究嗎？是區塊鏈選擇了我們，還是我們選擇了區塊鏈？本文從一個分布式系統研究者的角度來理解區塊鏈。人們常常把區塊鏈當作分布式數據庫，或者是分布式賬本，這種說法不準確，而且具有迷惑性。區塊鏈與我們常見到的分布式數據庫相比，我認為區別主要有兩個：共識算法和鏈式結構。這兩者相輔相成，共同構成了區塊鏈的獨特性。共識算法

分布式數據庫所采用的共識算法一般都是基于Paxos所衍生出來的一系列算法。這些算法的安全性仰賴于中心化的假設，即所有的節點由一個可信賴的中心管理。在這個假設下，所有節點都被認為是“誠實”的，也就是說，所有節點都竭盡全力去傳遞消息，并且消息不會被篡改。如果有少部分節點宕機，或者失聯也不會影響協議的安全性。然而區塊鏈中的共識算法沒有中心化的假設，每個節點都可以被認為是有獨立行為的，這也是區塊鏈“去中心化”的由來。協議允許一部分節點是拜占庭節點，它們可以按照自己的意愿選擇遵從或者違背協議，發送任意消息或者假裝宕機。拜占庭節點可以是被攻擊者完全控制的節點，也可以是自身軟件出現嚴重bug的節點。這類算法被稱作拜占庭容錯算法，簡稱BFT。很明顯可以看出，區塊鏈的共識算法的容錯性要遠遠高于傳統的分布式數據庫，因此往往也更低效。針對BFT共識算法的研究從很早就開始了，其中影響力最大的就是圖靈獎得主Barbara在1999OSDI年提出的PBFT(PracticalBFT)。然而由于算法的復雜性過高，很難進行大規模部署。除此之外，這類算法還要求每個節點的身份已知，也就是說，在協議初始或者新節點加入時，都需要有準入控制機制，保證節點之間可以互相驗證身份。基于以上原因，針對傳統的BFT協議的研究到了2010年也沒有很大的進展。比特幣的出現打破了人們對這一領域的認知，它使得人人都可以輕易加入到網絡中來，不需要任何準入控制機制。只要擁有至少51%算力的計算機是誠實的，整個網絡就是安全的，并且通過比特幣的獎勵機制鼓勵參與者規范自己的行為。比特幣通過極其簡單的設計就在某種程度上實現了“海納百川，一視同仁”，不得不說是一個奇跡。然而奇跡的誕生是要付出代價的。比特幣付出的代價在我看來主要有三個：極大的資源消耗。參與到網絡中的礦工需要付出龐大的硬件費用和電費。極低的性能。比特幣的網絡每秒鐘大概能處理7個交易，每個區塊的平均生成時間是10分鐘左右。交易的不確定性。即使一個區塊在比特幣網絡中被確認了，由于區塊鏈可能存在分叉fork，這個區塊仍然有被重寫的風險。只有等待一個區塊被確認若干次之后，才能使得這個區塊被重寫的風險降到足夠低。這也進一步提高了交易被確認的延遲。為了減少上述代價，有不少研究者都做出了卓越努力。例如，為了提高共識算法的性能，來自Cornell大學的研究者在2016年的NDSI提出了Bitcoin-NG。來自MIT和Stanford的研究者在2019年的CCS提出了Prism，進一步對比特幣進行擴容。此外，為了減少資源消耗，來自MIT的研究者在2017年SOSP上提出了基于Proof-of-Stake的Algorand，移除了挖礦的消耗。鏈式結構

美國說唱歌手Megan Thee Stallion與Cash App合作發布比特幣科普視頻:美國說唱歌手Megan Thee Stallion與由Square開發的移動支付服務Cash App合作發布了一段名為“Bitcoin for Hotties”的視頻。該視頻從她的角度解釋了什么是比特幣，為什么比特幣有價值等內容。Megan Thee Stallion在Instagram上擁有超過2410萬粉絲，在 Twitter上擁有640萬粉絲。（Bitcoin News）[2021/8/8 1:41:10]

區塊鏈帶來的另一項革新就是鏈式的結構。每個區塊都通過哈希跟前面的區塊鏈接在一起，一直追溯到初始區塊，形成一條綿延不絕的鏈。這個結構帶來的一個好處就是當一個節點確認一個區塊的時候，意味著同時確認了這個區塊所在鏈上之前的所有區塊。基于這種鏈式的結構，區塊鏈中很容易采用一種“最長鏈”原則發布新的區塊。比如在比特幣中，由于網絡問題和惡意攻擊的存在，一個礦工可能會看到多條鏈，但礦工總是傾向于在最長的一條鏈上挖礦。即使挖礦挖到一半發現了一條比所在的鏈更長的鏈出現，也要切換到更長的鏈。“最長鏈”原則并不一定是非遵守不可，它并不會對協議安全造成嚴重影響，但當所有礦工都遵守這一原則的時候，每個礦工所能期望獲得的收益最大。當然，也有例外，當一個礦工占有比較多的資源的時候，可以采取一種“自私挖礦”的策略，違背“最長鏈”原則，謀求更高的收益。區塊鏈的鏈式結構也給研究傳統BFT的研究者帶來很大啟發，很多為區塊鏈量身定做的BFT協議開始涌現。這其中最著名的要數Facebook所采用的LibraBFT共識協議。LibraBFT基于HotStuff，由來自VMware的研究者提出。HotSutff通過采用區塊鏈的鏈式結構改進了傳統BFT的性能，使得協議能夠部署在具有上百個節點的網絡中。下面我簡單說明一下這種鏈式結構的神奇之處。首先，我們想象用傳統的BFT協議實現區塊鏈。由于在傳統的BFT協議中共識是一次性的，我們需要對每個區塊單獨進行共識。例如在PBFT中，每個區塊鏈都要經歷Propose，Prepare，Precommit，Commit若干階段。每個階段都要經歷一輪投票，似乎都在做相同的事情，存在很多消息冗余。如下圖所示。

IMF今日發布的加密貨幣科普視頻實為兩年前舊聞，且存在諸多疏漏:國際貨幣基金組織IMF今日在推特上發布了一條關于加密貨幣的科普視頻，這段時長兩分鐘的視頻最初發布于2018年6月。該視頻稱加密貨幣是“貨幣進化的下一步”，但沒有特別提到DLT、區塊鏈，甚至是代幣名稱等術語。BTC、XRP和ETH只出現在說明加密交易的圖形中。盡管這段視頻到目前為止已經獲得了超過13.7萬的點擊量和2900個贊，但來自加密社區的許多反應都是批評的，他們指出了信息中的漏洞和似乎具有誤導性的措辭。

Reddit用戶nanooverbtc稱：“他們犯了很多錯誤，比如把私鑰稱為密碼。”該視頻也沒有討論挖礦或加密貨幣供應。Kraken策略師Pierre Rochard等知名人士表示：“可證明的稀缺性是比特幣有趣的原因，你忘了提這一點。”（Cointelegraph）[2020/8/24]

聲音 | 浪潮集團云南分公司總經理：云南區塊鏈產業發展需從“科普”到“專精”不斷深化:據昆明日報消息，浪潮集團云南分公司總經理鄭昕表示，云南區塊鏈產業發展需從“科普”到“專精”不斷深化。下一步，浪潮將繼續加大云南農業產業高質量發展體系建設力度，重點以普洱茶等云南優勢產業為切入點，打造云南“綠色、有機農產品高地”的品牌形象，并在此基礎上，開展基于區塊鏈的供應鏈金融服務，解決中小企業貸款難、貸款貴問題。[2019/11/11]

為了解決這一問題，HotStuff在PBFT的基礎上引入了鏈式結構。由于之前所說的鏈式結構的特性，一個節點對一個區塊的投票實際上是對這個區塊所在鏈上之前的所有區塊的投票。因此鏈式HotStuff縮減了不同的投票階段，只保留了統一的Propose-Vote的形式。如下圖所示。

動態 | 浙江衛視節目科普支付寶區塊鏈防偽溯源產品:昨日，在浙江衛視播出的科普綜藝欄目《智造將來》現場，支付寶首次展示了支付寶區塊鏈防偽溯源產品，以接地氣的方式公開向大眾展示區塊鏈在生活中的應用。[2019/3/4]

HotStuff進一步利用了鏈式結構的特點規定了投票規則以及區塊被確認的規則，從而保證協議的安全性。鏈式的結構使得BFT協議變得簡潔而優美，能夠很好地進行流程化作業，提高了協議的性能，極大降低了狀態空間。除了上述的好處之外，鏈式的結構也給協議留足了設計空間，比如激勵機制，信用管理，公平機制等，這些機制對一個多方參與的網絡來說都會起到積極作用。總結

聲音 | 中科院姚建銓：要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普 培訓:據新華網消息，日前，在區塊鏈與物聯網融合發展峰會上，中國科學院院士姚建銓說，關注區塊鏈技術里面的大數據，跟區塊鏈技術結合起來進行測量和檢測，能更好地提升激光清洗技術。姚建銓建議，無錫今后要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普、培訓，正確引導廣大人民群眾對技術的認知；同時，建立專業、權威，但又普適、成套的理論體系和標準，以此切入區塊鏈的實際應用。[2018/9/18]

在10多年前，中本聰發明比特幣，區塊鏈應運而生。現在，我們對區塊鏈的研究逐漸撥云見日，我們也應用一種客觀專業的眼光去看待這項技術。毫無疑問，區塊鏈的誕生給分布式系統的研究帶來了新的生命力。但在研究區塊鏈的時候，不能粗暴的將共識算法和鏈式結構分開去研究，因為這兩者相輔相成，共同構成區塊鏈的基本要素。

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