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知识大爆炸:共识机制是整个区块链的基石

上篇文章中,我们介绍了区块链的三个要素:分布式、去中心化和共识机制。今天的知识大爆炸,我们重点说一说,构建起整个区块链大厦的基石—共识机制。

区块链是一个支持容错的分布式系统,要保障系统的健康运行,需要满足4大要点,分别为P2P网络、连续交易、足够多的存储节点和共识机制。考虑到网络故障及人为因素,系统中难免会存在故障节点和恶意节点,如何才能保证整个系统数据的一致性,是一个分布式共识问题。正如《区块链启示录:中本聪文集》一书中所说,比特币的正常运行很大程度上依赖于共识。

共识机制,就是所有记账节点之间如何达成共识,去认定一个记录的有效性,这既是认定的手段,也是防止篡改的手段。目前主要有四大类共识机制:PoW、PoS、DPoS和分布式一致性算法。

PoW(Proof of Work,工作量证明)

PoW机制,也就是比特币和以太坊的挖矿机制,也是目前市场上公链应用最为多的共识机制。矿工通过把网络尚未记录的现有交易打包到一个区块,然后不断遍历尝试来寻找一个随机数,使得新区块加上随机数的哈希值满足一定的难度条件。找到满足条件的随机数,就相当于确定了区块链最新的一个区块,也相当于获得了区块链的本轮记账权。矿工把满足挖矿难度条件的区块在网络中广播出去,全网其他节点在验证该区块满足挖矿难度条件,同时区块里的交易数据符合协议规范后,将各自把该区块链接到自己版本的区块链上,从而在全网形成对当前网络状态的共识。

优点:完全去中心化,节点自由进出,避免了建立和维护中心化信用机构的成本。只要网络破坏者的算力不超过网络总算力的50%,网络的交易状态就能达成一致。

缺点:目前比特币挖矿造成大量的资源浪费;另外挖矿的激励机制也造成矿池算力的高度集中,背离了当初去中心化设计的初衷。更大的问题是PoW机制的共识达成的周期较长,每秒只能最多做7笔交易,不适合商业应用。

PoS(Proof of Stake,权益证明)

PoS机制,要求节点提供拥有一定数量的代币证明来获取竞争区块链记账权的一种分布式共识机制。如果单纯依靠代币余额来决定记账者必然使得富有者胜出,导致记账权的中心化,降低共识的公正性,因此不同的PoS机制在权益证明的基础上,采用不同方式来增加记账权的随机性来避免中心化。例如点点币(Peer Coin)PoS机制中,拥有最多链龄长的比特币获得记账权的几率就越大。NXT和Blackcoin则采用一个公式来预测下一记账的节点。拥有多的代币被选为记账节点的概率就会大。未来以太坊也会从目前的PoW机制转换到PoS机制,从目前看到的资料看,以太坊的PoS机制将采用节点下赌注来赌下一个区块,赌中者有额外以太币奖,赌不中者会被扣以太币的方式来达成下一区块的共识。

优点:在一定程度上缩短了共识达成的时间,降低了PoW机制的资源浪费。

缺点:破坏者对网络攻击的成本低,网络的安全性有待验证。另外拥有代币数量大的节点获得记账权的几率更大,会使得网络的共识受少数富裕账户支配,从而失去公正性。

DPoS(Delegated Proof-Of-Stake,股份授权证明)

DPoS很容易理解,类似于现代企业董事会制度。比特股采用的DPoS机制是由持股者投票选出一定数量的见证人,每个见证人按序有两秒的权限时间生成区块,若见证人在给定的时间片不能生成区块,区块生成权限交给下一个时间片对应的见证人。持股人可以随时通过投票更换这些见证人。DPoS的这种设计使得区块的生成更为快速,也更加节能。从某种角度来说,DPOS可以理解为多中心系统,兼具去中心化和中心化优势。

优点:大幅缩小参与验证和记账节点的数量,可以达到秒级的共识验证。

缺点:选举固定数量的见证人作记账候选人有可能不适合于完全去中心化的场景。另外在网络节点数少的场景,选举的见证人的代表性也不强。

EOS的共识机制由传统的DPoS (委托权益共识)升级到BFT-DPoS(拜占庭容错-委托权益共识)

分布式一致性算法

分布式一致性算法是基于传统的分布式一致性技术。其中又分为解决拜占庭将军问题的拜占庭容错算法,如PBFT(拜占庭容错算法),和解决非拜占庭问题的分布式一致性算法(Pasox、Raft),这块内容的特殊详细算法本文暂不做说明,该类算法目前是联盟链和私有链场景中常用的共识机制。

优点:实现秒级的快速共识机制,保证一致性。

缺点:去中心化程度不如公有链上的共识机制;更适合多方参与的多中心商业模式。

综合来看, POW适合应用于公链,如果搭建私链,因为不存在验证节点的信任问题,可以采用POS比较合适;而联盟链由于存在不可信局部节点,采用DPOS比较合适。

小结

共识(Consensus)是一切交易的基础,达成共识越分散(参与度越高),其效率就越低,但满意度越高,因此也越稳定;相反,达成共识越集中(参与度越低),效率越高,也越容易出现独裁和腐败现象。

共识机制是区块链技术自带颠覆(改善)世界的光芒,得以被全世界逐步接受和认可的最大幕后功臣,它让互联网上的陌生人之间,在没有第三方作为信用背书的情况下,发生一切交易变成可能,它赋予了机械的代码以人性和温度。

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  • 原文链接https://kuaibao.qq.com/s/20181225G0VHNS00?refer=cp_1026
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