區塊鏈科普：一文詳解4種共識機制_CAS

區塊鏈作為一種按時間順序存儲數據的數據結構，可支持不同的共識機制。共識機制是區塊鏈技術的重要組件。區塊鏈共識機制的目標是使所有的誠實節點保存一致的區塊鏈視圖，同時滿足兩個性質：即一致性和有效性。

區塊鏈的自信任主要體現于分布于區塊鏈中的用戶無須信任交易的另一方或任一個中心化的機構，只需要信任區塊鏈協議即可實現交易，而這種自信任的前提是區塊鏈的共識機制。共識機制可確保系統中的每一個節點中都會自發、誠實地遵守協議中預先設定的規則，判斷每一筆記錄的真實性，最終將判斷為真的記錄記入區塊鏈之中。

共識機制是區塊鏈技術的核心,在基本層面上決定了區塊鏈系統的安全性、可擴展性和分布式特性。

4種共識機制

我們現在將通過一系列共識機制來解決拜占庭將軍問題。

工作量證明

比特幣的創造者中本聰通過發明工作量證明協議而繞過了這個問題。首先，讓我們看一下在拜占庭將軍問題下它是如何工作的。

假設左側的軍隊希望向右側的軍隊發送一條名為“星期一進攻”的消息，他們將遵循某些步驟。

首先，他們將在原始文本后加上“隨機數”。隨機數可以是任何隨機的十六進制值。之后，他們對帶有隨機數的文本進行哈希處理并查看結果。假設軍隊決定只共享消息，這些消息經過哈希處理后得出以5個“0”開頭的結果。

如果滿足哈希條件，它們將向消息發送者將消息的哈希值發送給信使。如果沒有，那么他們將繼續隨機更改隨機數的值，直到獲得所需的結果。此操作非常繁瑣且耗時，并且需要大量的計算能力。

如果使者確實被城市俘獲，并且消息被篡改，則根據哈希函數屬性，哈希值本身將發生巨大變化。如果在右側的將軍看到散列消息不是以所需的“0”開頭，那么他們可以簡單地取消進攻。

但是，這可能存在漏洞。

沒有哈希函數是100%無沖突的。那么，如果城堡收到該消息，對其進行篡改，然后相應地更改隨機數，直到他們獲得所需的結果，該怎么辦？這將非常耗時，但仍然有可能。為了解決這個問題，將軍們將使用大量數字資源。

數據：2022年全球區塊鏈投資資金51%來自美國:5月29日消息，數據顯示2022年全球范圍內區塊鏈公司獲得的投資資金中，51%來自美國，18%來自中國，5%來自瑞士、4%來自英國。預計到2026年區塊鏈市場規模將從71.8億美元增長到674億美元，年復合增長率將達到68.4%。

BanklesTimes分析稱，導致區塊鏈市場快速擴張的一些主要因素是風險投資資金的增加、政府也在加大這一新興技術的發展力度并嘗試在網絡安全中采用區塊鏈。尤其在過去的三到五年里，區塊鏈技術解決方案在支付、交易平臺、智能合約和數字身份等各種商業應用中的應用已經成為一種大規模現象。[2022/5/29 3:48:24]

假設不是左側一位將軍向右側一位將軍發送消息，而是左側三位將軍共同向右側所有將軍發送一條消息。為了做到這一點，他們可以制作自己的消息，然后對累積的消息進行哈希處理，將隨機數附加到所得的哈希中，再次對其進行哈希處理。這次他們想要一條以六個“0”開頭的消息。

顯然，這將是非常耗時的，但是這一次，如果使者確實被城堡抓住，那么他們需要花費大量時間來篡改累積消息并為哈希找到相應的隨機數，甚至可能需要花費數年時間。因此，如果將軍派遣了多個使者，而不是一個使者，那么當城堡在計算過程中途時他們將受到攻擊并被摧毀。

右側的將軍們很容易做到。他們所要做的就是在消息中附加將要提供給他們的正確隨機數，對它們進行哈希處理，然后查看哈希值是否匹配。散列字符串非常容易，這本質上就是工作量證明背后的過程。

為適當的哈希目標查找現時的過程應該非常困難且耗時。但是，檢查結果以查看是否沒有篡改的過程應該非常簡單。因此，我們要總結工作量證明協議如何與區塊鏈一起工作。

-礦工解決密碼難題以“挖掘”一個區塊，以便添加到區塊鏈中。此過程需要大量的能量和計算量。密碼難題的設計方式使它變得很費力，并給系統增加了負擔。

-當礦工解決密碼難題時，他們將其區塊提交給網絡進行驗證。驗證區塊是否屬于鏈是一個非常簡單的過程。

火幣科技、歐科云鏈區塊鏈業務占比分別為6.5%和4.3%:國內股市涌動著區塊鏈熱潮，大潮之下真假難辨，即使像火幣科技和歐科云鏈這樣真正的區塊鏈企業和傳統金融市場的融合也需要過程。雖然火幣科技市值增長五成，但其區塊鏈業務占比僅為6.5%。受疫情影響，2019年10月1日至2020年3月31日的半年度報告期內火幣科技虧損幅度進一步擴大至3020.9萬港元，營收下滑24.5%至1.17億港元。另一方面，歐科云鏈于2015年9月登陸港交所。其年報中指出報告期內來自技術服務板塊的收入達2450萬港元，僅占總營收5.7億港元的4.3%。（新浪科技）[2020/8/24]

在解決拜占庭將軍問題時，工作量證明機制無疑回答了很多問題，但工作量證明仍存在一些問題：

-首先，工作量證明是一個極其低效的過程，因為它消耗了大量的能量和時間；?

-其次，能夠負擔得起更快、更強大的ASICs的人員和組織通常比其他人和組織具有更好的挖掘機會；?

-最后，比特幣的分散程度不如預期。

讓我們看一下哈希率分布圖：

我們發現，僅5個采礦池就分布了約65%的哈希率！

從理論上講，這些大型礦池可以相互協作，并在比特幣網絡上發起51%攻擊的交易。

使用工作量證明協議的典型公鏈：比特幣區塊鏈

權益證明

以太坊即將計劃從工作量證明轉向權益證明。權益證明將使整個采礦過程變為虛擬，并用驗證器代替采礦者。這是該過程的工作方式：

-驗證者必須鎖定部分數字貨幣作為權益證明。

-之后，他們將開始驗證塊。即：當他們發現自己認為可以添加到鏈中的區塊時，將通過在其上下注來對其進行驗證。

-如果添加了區塊，則驗證者將獲得與其下注成比例的獎勵。

事實證明，POS協議比POW更加資源友好。在POW中，可能需要浪費大量資源才能與該協議一起使用，從根本上來說，這是為了浪費資源而浪費的資源。也是權益證明的最大障礙。

世界數字公益杭州會議：利用區塊鏈讓公益更透明:5月21日下午，世界數字公益杭州會議在西湖區白沙泉金融并購街區召開，就區塊鏈技術在公益事業中應用進行了熱烈的討論。中科院大學數字經濟與區塊鏈研究平臺發起人廖松強表示，由于區塊鏈具有全程真實記錄、不可偽造和篡改的特點，捐贈用戶信息、資金流向以及使用情況都會被完整記錄并加密，是可追蹤的。這為社會提供了一個信任、開放、透明的機制，大眾可以放心地進行公益捐贈。[2018/5/21]

以太坊開發人員最終計劃采用權益證明。但是，在這樣做之前，他們必須解決權益證明的最大缺陷之一。

我們來考慮一下這種情況：

假設我們遇到如上述的情況：有一條主藍鏈和一條紅鏈，它們從主鏈本身分叉出來。那么有什么方法可以阻止惡意礦工在紅色區塊上進行挖掘并強制使用硬分叉？

在工作量證明系統中，可以減輕這種風險。

假設惡意礦工愛麗絲想在紅色鏈條上開采。即使她將所有的哈希算力都獻給了它，也不會再有其他礦工加入她的新鏈條中。其他人仍將繼續在藍鏈上進行開采，因為在較長的鏈上進行開采更有利可圖且無風險。

但請記住，POW在資源方面非常昂貴。

對于礦工而言，在一塊將要被網絡拒絕的區塊上浪費如此多的資源是沒有意義的。因此，由于攻擊者必須浪費大量金錢，因此在工作量證明系統中避免了硬分叉。

但是，使用POS時情況看起來有些不同。

如果您是驗證人，那么您只需將錢放入紅色鏈和藍色鏈中，根本不用擔心會受到打擊。無論發生什么情況，盡管您的行為可能多么惡意，但您始終會獲勝，不會有任何損失。

這就是所謂的“無利害關系”問題。

為了整合POS共識系統，加密貨幣需要解決這個問題，以太坊將通過調整其Casper協議以一種非常有趣的方式來實現這一目標。

Casper是以太坊選擇使用的POS協議。盡管整個團隊都在忙于創建它，但弗拉德·扎姆菲爾通常被認為是“卡斯珀面孔”。

阿里巴巴集團首席人力官：區塊鏈能帶來無限可能 未來如何與產業結合還是未知 :在今日舉行的2018中國綠公司年會上，阿里巴巴集團首席人力官(CPO)童文紅表示，阿里巴巴與想做的百年企業來比還只是一個19歲的孩子，其實面臨著非常非常多的困難。區塊鏈、量子等技術創新帶來無限可能，未來怎樣跟產業結合，會帶來什么樣的變化，誰都無法預測，阿里也面臨著從平臺到生態的挑戰。[2018/4/23]

那么，Casper協議與其他權益證明協議有何不同？卡斯珀實施一種程序可以懲罰所有惡意因素。這就是Casper協議下的POS工作方式：

-首先，驗證者將質押部分以太幣作為權益證明。

-之后，他們將開始驗證區塊。即：當他們發現自己認為可以添加到鏈中的區塊時，將通過在其上下注來對其進行驗證。

-如果添加了區塊，則驗證者將獲得與其下注成比例的獎勵。

-但是，如果驗證者以惡意的方式行事并且試圖做“無利害關系”，他們將立即受到譴責，其質押的所有以太幣將被削減。

正因為Casper協議被設計為在不信任的系統中工作，并且具有更高的拜占庭容錯能力。任何以惡意/拜占庭方式行事的人都會立即受到懲罰，被砍掉部分權益。這與大多數其他POS協議不同。惡意因素會有所損失，因此它不可能有任何危險。如果以太坊計劃擴大規模，那么實施Casper協議和權益證明至關重要。

使用權益證明協議的典型代表：以太坊區塊鏈

委托權益證明

現在，我們來介紹一種有趣的權益證明形式，稱為DPOS或委托權益證明。EOS正在使用這種共識機制來擴展到每秒數百萬個事務。EOS區塊鏈上任何持有令牌的人都可以通過持續投票系統選擇區塊生產者。任何人都可以參加區塊生產者選舉，他們將有機會生產相對于其他所有生產者的總票數成比例的區塊。

它是如何工作的？

-每輪開始時，選擇21個區塊生產者。系統自動選擇前20名，而選擇第21名則與他們相對于其他生產者的票數成正比。

美國大數據專家Bernard Marr：AI比人類管理區塊鏈更有效:美國大數據專家Bernard Marr近日在Forbes上發表專欄文章，介紹了人工智能與區塊鏈結合后，可能帶來的三個具有突破性的方向：區塊鏈保護數據安全；區塊鏈可以幫我們跟蹤、理解和解釋人工智能做出的決定；人工智能可以比人類更有效地管理區塊鏈。[2018/3/4]

-然后，使用區塊時間得出的偽隨機數對生產者進行混洗。這樣做是為了確保與所有其他生產者的平衡連接。

-為確保正常的區塊生產并保持區塊時間為3秒，生產者因未參與而受到懲罰，將其從考慮范圍中刪除。生產者必須每24小時至少生產一個塊。

DPOS系統不會遇到麻煩，因為生產者必須競爭合作，而不是尋找區塊。如果發生分叉，則共識會自動切換到最長鏈。

如何確認DPOS中的交易？

DPOS區塊鏈通常具有100%的區塊生產者參與。通常在廣播1.5秒鐘之內就有99.9%的節點數確認交易。為了保證交易的絕對有效性，節點僅需等待15/21生產者達成共識。

那么，萬一因疏忽或惡意企圖而導致分叉，將會發生什么呢？

默認情況下，所有節點都不會切換到不包含15/21生產者未最終確定的任何區塊的分支。無論鏈長如何，這都是正確的。每個區塊都必須獲得15/21批準才能被視為鏈的一部分。

由于區塊創建時間短，因此可以在9秒內警告節點，它們是位于主鏈還是次鏈中，這樣的原因很簡單。請記住，每個塊之間經過的平均時間為3秒。

-如果節點錯過2個連續的區塊，則它們有95%的機會處于少數分支。

-如果一個節點錯過了3個區塊，則它們有99%的機會位于少數鏈上。

什么是TAPOS？

作為權益證明或TAPOS的交易是EOS軟件的功能。系統中的每個事務都必須具有最近區塊頭的哈希值。這將執行以下操作：

-防止不同鏈上的交易重播。

-向網絡發送信號，告知用戶及其利益在特定分支上。

這樣可以防止驗證者對其他鏈進行惡意操作，而且將擁有一個快速有效的權益證明協議。但這有什么陷阱嗎？根據以太坊聯合創始人VitalikButerin介紹，DPOS系統無法進行協調博弈。

什么是協調博弈論？

考慮以下矩陣：

在此矩陣中，有兩個納什均衡：和，偏離任何一種狀態都不會使他們受益。博弈論的核心觀點是，如何說服人們從轉到？如果只涉及一小群人，則相對簡單，只需通過電話或電子郵件進行協調。但是，當我們涉及一大群人時，這種情況發生了變化。

囚徒困境和協調問題之間的根本區別在于，在囚徒困境中，兩個參與者都必須選擇，因為盡管在道德上是一個更好的解決方案，但這是收益最大的選擇。在協調問題中，這與道德或收益無關，而與一個人從一種狀態過渡到另一種狀態的動機有關。為什么一大群人應該改變他們做事的方式？

當小組中只有少數改變狀態而多數沒有改變時，協調博弈就會失敗，反之，當小組中的大多數改變狀態時，協調博弈就會成功。讓我們來看一個例子。

假設我們要將語言更改為基于符號的語言。例如：原始陳述：“給我您的電話號碼？”新陳述：“＃？”

如果您僅使用這種語言說話，那將是失敗的，因為大多數人不會理解您在說什么，并且您會被談話所回避，也就是您的收益非常低，并且您沒有改變的動力。

但是，如果您的社群大多數人改用這種語言并僅使用它，則您將不得不更改語言，否則您將永遠無法適應。現在，加入該組織的動機非常強烈。

DPOS系統可以利用協調博弈理論來彌補其缺點。在某些情況下，區塊生產者可能會偏愛某些情況，而這種情況與其余節點不符。

假設主節點希望將鏈從狀態A轉換為狀態B，需要幫助整個鏈與它們一起完成相同的轉換可能是一項艱巨的任務，尤其是在其他節點與狀態B相對的情況下。只有時間會證明EOS是否可以正確地集成DPOS。

使用委托權益證明協議的典型代表：EOS區塊鏈

授權拜占庭容錯算法

現在我們來談談NEO的共識機制選擇。

想象有一個國家“Blockgeeks”，這個國家有很多公民。這些公民中的每一個都會選出一個代表來代表他們并使他們高興。這些代表的職責是通過法律，使公民感到高興，如果他們不擅長自己的工作，則公民可以在下一次簡單地投票給另一位代表。

那么，代表們如何通過法律？

一位代表被隨機選為議長。議長研究公民的所有要求并制定法律。然后，他們計算這些法律的“幸福因子”，以查看該數字是否足以滿足公民的需求。他們將其傳遞給代表們。然后，代表們分別檢查議長的計算。如果議長的數字與代表們的數字相符，則表示同意；否則，則表示不贊成。66%的代表需要批準才能通過法律。如果沒有被大多數人認可，則選擇新的領導者，然后該過程再次開始。

讓我們看下這種共識決策模式在區塊鏈中的應用。

公民是擁有NEO令牌的人。代表是簿記節點。為了成為簿記節點，需要滿足一定的條件：擁有專用設備、專用的互聯網連接和一定數量的GAS。

-“公民的需求”基本上是代幣持有人進行的各種交易。

-“法律”是要添加到區區塊鏈的當前區塊。

-“幸福因子”是當前區塊的哈希值。

現在，在兩種情況下，其中一個參與者可能以惡意方式行事。讓我們來看看：

案例1：議長是惡意的

在這種情況下，議長已向兩個代表發送了惡意消息B，并向一個代表發送了準確消息。由于多數規則，可以輕松緩解這種情況。兩位代表將看到他們的哈希值與議長的哈希值不匹配，而一位代表將看到他們的哈希值完美匹配。但是，三分之二的人會拒絕該提案，并且無法達成共識。此后議長將被廢除，重選議長。

情況2：一名代表是惡意的

議長向所有代表發送了正確的消息，但是其中一位代表決定以惡意的方式行事，并聲明他的數字與議長的數字不符。

但是，由于3位代表中有2位是非惡意的，因此他們將批準該法律，因為已達成66%的共識，該法律將獲得通過。

可以看出，dBFT提供了一種非常有趣的共識機制形式。

使用授權拜占庭容錯算法的典型代表：NEO區塊鏈

總結

以上這些是在公鏈中使用最常見的4種共識機制。但是，還有更多的共識機制以提供選擇。他們是：

-能力證明機制(proofofcapacity)

-消逝時間證明(proofofelapsedtime)

-融入知識證明的工作量證明(entangledproofofworkandknowledge,EWoK)

-融入知識證明的工作量證明(entangledproofofworkandknowledge,EWoK)

雖然工作量證明和權益證明無疑是最受歡迎的選擇，但是時不時會有更新的共識機制出現。沒有“完美”的共識機制，而且有可能永遠不會出現，但未來的新公鏈往往是伴隨新的共識協議而誕生的。

本期小結

區塊鏈共識機制是區塊鏈技術的核心,未來的發展趨勢主要有以下幾點:

安全層面：設計并完善可證明安全的區塊鏈共識機制，解決如POS機制面臨的安全威脅;將經典分布式一致性算法與區塊鏈技術結合,利用委員會實現強一致性,解決委員會重配置的安全問題;

擴容層面：利用分片技術,通過計算分片、通信分片和存儲分片,實現交易處理的可擴展性,解決跨片交易問題;利用DAG技術,采用并行區塊的架構,使得同一時間內區塊鏈能夠容納更多的交易;

啟動層面：通過安全多方計算等密碼技術在非可信環境下完成協議自啟動,解決區塊鏈協議的初始化問題;通過對區塊鏈歷史數據的合理裁剪,使新加入節點能夠快速獲取當前區塊鏈狀態,參與共識運行,解決新加入節點的啟動問題;

激勵層面：設計合理可行的獎勵和懲罰機制,以理性用戶作為出發點,激勵用戶以誠實行為參與共識機制的運行和維護;合理懲罰惡意用戶,同時給予舉報者一定的獎勵。

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