分布式和区块链系统中的双花问题：为什么我们需要工作量证明？

双花问题

如果Alice钱包里面有10美元，她可以去购买等值的物品。如果Alice去商店后，发现台灯和桌子都是10美元，那么她只能买其中一样东西。

而我们所说的双花问题，正好与之相反，同样的10美元，你可以购买两样东西。

不过，双花问题在我们生活中其实不会发生，因为你在购买东西的同时，也同时进行了支付（也就是说，这是个中心化系统）。换句话说，如果Alice花费10美元购买台灯，那么这10美元就不属于她了。

但是在分布式系统中，问题会有些不同。

对于分布式系统来说，交易记录会广播给网络中所有节点（也就是说，Alice会在网络广播交易信息，从而网络中的每个节点都会知道“Alice已经花费10美元来购买台灯”）。

每个节点都会记录这个交易信息，然后将信息传输给网络中的下个节点，并且这个过程会持续直到网络中的所有节点已经记录了这条信息“Alice已经使用了10美元来购买台灯”。

但是，在信息通过庞大网络进行传输的时候，以下问题也会出现：

• 当信息在网络中传播的时候，路径不同，并且在不同时间到达不同节点。

• 由于节点会失效，有些节点也许不能将信息传递给下个节点，然后这个消息就会丢失。

因此，在某个时间会发生这种情况，某些节点知道Alice已经花费了10美元购买台灯，但是某些节点却不知道这一消息。

对于那些不知道Alice花费10美元购买台灯的节点来说，这条信息还没有传达给他们；他们仍然会认为，Alice还有闲置的10美元可以购买任何其他东西。

因此，对于Alice来说，很可能她会向网络中传播另一个消息“Alice已经花费了10美元来购买桌子”，并且如果这个信息在“Alice花费了10美元来购买台灯”这个消息之前达到节点，那么这个节点就会认为Alice已经花了10美元来买桌子。

这就有可能造成这种情况，Alice能够花费10美元买桌子，并且花费同样的10美元来买台灯；这是违背常理的，因为Alice只有10美元，并不是20美元。

这就是双花问题。

双花问题会在分布式系统中出现，是因为交易信息在庞大的网络中传输需要花费时间。

由于网络中信息传输的时间差，无法保证信息达到节点的顺序和信息创建的顺序是相同的。

注意：有人会说，转账信息中会包含通用的时间戳，同时还有哈希值来保证数据的完整性，这就很容易解决转账信息会按照不同时间达到某个节点。

但是，Alice可以在签署信息之前造假时间戳，同时把第二条信息放入更早的时间戳，给网络造成疑惑。

从更深层次来看，现在网络处于不一致的状态，其中有些节点已经验证“Alice花了10美元买灯”，其他节点验证了“Alice花了10美元买桌子”。

为了解决网络中状态的不统一性（很少节点会验证某个交易，并且其他节点已经验证一个相反的交易），我们需要某个共识机制，确保交易的顺序，从而将网络带回统一的状态。

分布式账本技术和区块链技术的

共识机制

“真理不是事情的真相或者原因。简单来说，就是每个人都同意这个事情。”

― Gregory Maguire, 坏女巫:新绿野仙踪

这种共识的形成有两种方法。

基于投票的共识（需要信任的联盟节点或者私有分布式网络，例如，超级账本）：网络中的每个节点都是互相认识的，而且每个节点会进行投票，从而对交易进行验证。最后，通过多数人投票选举和担保政策（例如，实用性拜占庭容错算法）来实现交易，而且担保政策可以使得只要全网2/3节点通过的前提下，就可以让交易有效。

基于抽奖或者竞争的共识（公链或者无需信任节点网络，比如以太坊）：网络中基于工作量证明或者权益证明选出的成员，可以决定交易是否有效，并且这个决定需要被全网都认可。无论谁赢得了这个奖励，全网都会同意由获胜节点验证的转账是有效的。

这种通过竞争选出的下个节点的方式，通常是通过解决加密数学难题来实现，例如工作量证明，或者是根据对网络投资的贡献，来得到更高的获胜概率，例如权益证明。

共识机制（不论是投票还是抽奖），都是让网络决定哪个交易是有效的。网络中所有的节点然后再去验证这个交易，这些只会通过有效交易的共识来进行处理。

有意思地是，有效交易可能并不是正确的交易。在我们的例子中，如果群体共识投票“Alice花费10美元买了桌子”作为有效交易，那么正确的交易“Alice花费10美元买灯”就会被网络所有节点认为无效。

其实，共识算法的目标并不是确定两个交易之间，哪个是正确的。共识算法是为了防止分布式网络中的双花问题（也就是说，在我们的例子中，通过共识机制，我们可以确保Alice可以消费10美元，并且只消费了一次）；而且保证全网只会同意某个交易信息，并且任何不同的交易信息都会被网络认为是无效的。

在“无需信任的网络”构建“信任”

Bodhi：“你不信任我吗？”

Johnny Utah：“你需要去获得信任。”

— 惊爆点(1991)

通过工作量证明算法，获胜者可以通过解决数学难题，从整个网络脱颖而出，而且获胜者可以去决定网络中哪些交易是有效的，并

成为区块链中下个区块的一部分。

但是问题来了，为什么我们需要节点互相竞争来解决复杂的加密数学难题，再选出获胜者? 也就是说，为什么我们需要复杂的工作量证明？任何节点可以被随机选择并称为下个获胜者吗（随机选择）？同时，这个节点还要被选举出来，并对有效的交易做出决定。

答案如下。

如果彩票获奖者并不是通过计算量选拔出来并且添加区块（或者有些代币是需要算力，例如权益证明），那么对于任何节点来说就会很容易将下个区块添加到区块链上。

这意味着很多人都可以添加他们认为的区块到区块链上，并且拥有最强算力的人能够扩大区块链，并且获得最长的链。

中本聪对这个问题的解决方案“在无需信任的网络中构建信任”，也是为了确保对于任何人或者团体（只要团体算力小于50%）都无法通过算力来控制整个网络，也就是控制区块链上区块的创建，同时维持区块链上最长的链。

因此，基本原理是，如果想在区块链中添加区块，需要通过难度很高的计算，并且引进某种机制来完成。这些机制中，最常见的，就是工作量证明算法。

但是，其实也有消逝时间证明（PoET）机制，这种算法需要在区块链上加入下个区块之前，“等待”一段时间，从而再次人为地将添加区块的计算难度变得很困难。

对于权益证明算法，代币的抵押机制可以选出创建区块的下个人，这也让任何个人都很难去持有足够的代币，来控制整体网络。