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区块链突破不在技术?而是取决于…

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与最近币圈萎靡状态不同的是,越来越多区块链应用加速进入落地阶段。

而区块链应用落地,表面上看来,是区块链技术层面的突破,然则,真正加速区块链进展的其实是“共识机制”的设计。

为何会如此?

还要从“共识机制”的演进中找答案。

拜占庭将军问题 VS 两军问题

拜占庭将军问题本质上是一个共识问题,产生于1982年一位美国计算机科学家Leslie Lamport的头脑中。这也是“共识问题”在历史上第一次真正、严肃地被提出并加以审视。

拜占庭帝国在攻打一个强大的敌国时,派出10支军队,分散包抄,同时攻击。但问题来了,这个敌国的实力足以抵御5支拜占庭军队的同时袭击,也就是说,拜占庭的10支军队中,至少要保证有6支军队能同时接收到正确的指令,采取袭击行动。

这些分散在敌国四周的拜占庭军队,只能依靠“信差”传递信息,协商进攻意向与时间。困扰将军们的一个问题,他们不确定是否有叛徒,叛徒们可能擅自变更进攻意向与进攻时间。

因此,在达成共识的过程中,有些信息可能并不代表大多数人的意见,那么,如何在已知有叛徒的情形下,其余忠诚的将军们达成一致的协议,这就是著名的“拜占庭将军问题”。

白军驻扎在沟渠里,蓝军分散在沟渠两边,只有沟渠两边的蓝军同时合力进攻,才有可能击败白军。而蓝军无法远程沟通,只能派遣信差穿过沟渠通知对面的蓝军协商进攻时间。

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信差在传递信息的途中可能被白军杀死,或因军队距离不能在得到消息后及时回复,发送方也无法确认消息是否丢失,导致不可能达到一致性,那么是否存在一个使蓝军必胜的通信协议,这是两军问题,十分容易与拜占庭将军问题搞混淆。

需要注意的是,拜占庭将军问题和两军问题有着本质的差别,两军问题中,没有叛徒之说;而拜占庭将军问题中,也没有考虑两军问题,即,假定了一个大前提,信道是可靠的。

Lamport已证明,在分布式计算上,试图在异步系统不可靠的通道上达到一致性是不可能的。所以,在研究拜占庭将军问题时,假定信道是没有问题的,在此前提下再去研究一致性和容错性。

区块链的雏形正是来源于构建一个可以完美解决“拜占庭问题“的容错系统。共识算法机制几经迭代,也只为找寻最完美的解决方案。

PBFT算法

1999年,Miguel Castro和Barbara Liskov 提出了PBFT算法,用于解决拜占庭将军问题。

PBFT,实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance)。该算法在保证活性和安全性的前提下提供了(n-1)/3的容错性,即,节点数需要达到(3n+1)个,才能容错n个节点。

优点:

依靠严格的数学证明,具备(n-1)/3的容错性

缺点:

1. 网络节点不能太多,一旦过多,很容易造成整个网络严重堵塞;

2. 当1/3及以上的节点停止记账后,系统将无法正常运行。

POW共识机制

Proof of Work,工作量证明。该理念最早由Cynthia Dwork和Moni Naor 于1993年提出。可以简单的理解为“按劳索筹”,付出多少工作量,就会获得多少报酬。比特币就是采用的POW共识机制,通过计算猜测一个数值,解决规定的Hash问题。

该机制主要会消耗计算机三类资源:消耗CPU资源(例如比特币)、消耗内存资源(以太坊为了防止与比特币采用相同的共识机制造成51%攻击,采用了一种需要占用大量内存资源的POW算法)、消耗网络资源。

优点:

1. 该机制本身比较复杂,大大提高了攻击者攻击的成本;

2. 能鼓励更多的人加入进来,使得节点数量快速扩大;

3. 按劳索筹的挖矿方式,实现了相对的公平。

缺点:

1. 需要计算机提供算力,大量耗费电力能源,有违环保理念;

2. 矿机芯片从CPU、GPU、FPGA到ASIC的迭代,算力越来越集中,逐渐朝着中心化发展;

3. 随着挖矿成本越来越高,当高于挖矿收益时,旷工积极性便会降低,网络节点会减少。

POS共识机制

Proof of Stake,权益证明/股权证明。由一个名为Quantum Mechanic的数字货币爱好者于2011年提出,吸取了POW太多耗费算力的教训,POS比的是谁手持的币越多,挖到一个块的概率越大。以太坊采用的便是POW和POS的组合。

优点:

1. 节能;

2. 对计算机硬件无过高要求,人人可挖矿;

3. 避免紧缩,POS机制的加密货币会按一定的年利率新增货币,可以有效避免因为各种原因用户丢失货币造成的紧缩。

缺点:

纯POS机制的加密货币,只能通过IPO方式发行,这会导致富者越富,大量代币集中在少数人手中,也会容易变得更加中心化;

DPOS共识机制

Delegated Proof-Of-Stake,代理股权证明。针对前两种机制中存在的不足之处,2013年8月,BM在启动比特股项目中采用了DPOS共识机制,我们熟知的EOS也采用的是DPOS共识机制。

类似于企业董事会制度,将持币者称为股东,由股东选出一定数量的代表,代表们轮流产生区块,收益平分,若有代表不老实,很容易被其它代表和股东发现,不老实的代表会被立即踢出,空缺由排在他后面的代表取代。

可以说,DPOS同时兼具了中心化和去中心化。

优点:

1. 只有选举出的少数代表节点进行挖矿,进一步降低了能耗;

2. 采用所有持币者投票选举代表的方式,更加去中心化;

3. 更高的效率,中心化与去中心化的结合,使得效率有了很大的提升。

缺点:

1. 投票需要耗费时间精力,且还有一定的技能门槛,使得投票的积极性是个问题,大多数持币者(>90%)从未参与投票;

2. 社区选举目前还未能及时有效的组织破坏节点的出现,存在安全隐患。

其它改进共识机制

我们可以看到,以上几种主流共识机制各有其缺点:PBFT的节点数问题、POW的能耗问题、POS/DPOS的中心化问题。

因此根据不同的区块链应用场景,在主流的共识机制上进行了各种改良与衍生。

NEO采用的dBFT共识算法(Delegated Byzantine Fault Toleranc),通过用户投票选出7个超级节点参与记账,普通节点可以看到共识过程,同步账本信息,但不参与记账。

以太坊的下一代POS共识机制:Casper(投注共识),属于POS,但又有不同,Casper的共识是按照块达成的,而不是如POS按照链达成的。

此外,Casper还设置有严格的惩罚机制,一旦同一个节点两次投注序号一样,或投注的序号无法让Casper合约处理,那么该节点将失去所有保证金。这样有效防止了恶意攻击网络行为。

POI,重要度证明共识机制(Proof of Importance),通过使用账户重要性评分来分配记账权的概率。

POP,(Proof of Participation) 账户参与度算法,一种将POI和DPOS相结合的算法机制。

总结

区块链本质是一种分布式存储数据库,点对点去中心化网络。这种互联网技术早在比特币诞生之前就已存在。而比特币的设计中引入了POW共识机制后,才使得区块链技术的价值得到了最大化展现。

从共识机制的演进中,我们也能看到,区块链应用的每一次重大进展,与共识机制的迭代密切相关。

共识机制可以说是区块链的灵魂与核心,区块链的应用落地,最终突破点将取决于——共识机制。

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