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什么是共识机制?如何理解区块链的共识机制?

小欧2022-06-10 17:41:55百科172

简单来说,区块链的共识跟我们日常说的共识类似,就是在一个群体中就某个问题达成共识,一致同意采取某种策略来解决这个问题。例如说,我们在学校用投票选举的方式选班长,最终选定的班长人选是大家共识,而整个投票选举的过程和方法论,就是一种共识机制。

区块链由于点对点网络下存在较高的网络延迟,各个节点所观察到的事务先后顺序不可能完全一致。因此区块链系统需要设计一种机制对在差不多时间内发生的事务的先后顺序进行共识,这种对一段时间内事务的先后顺序达成共识的算法被称为“共识机制”。

对区块链而言,共识机制的存在让分布式网络的一致性问题迎刃而解。在区块链中存在着大量的分布式节点,要想达成信任关系并保持对外响应的“一致性”,就好比训练全校学生跳出整齐划一的广播体操,如何保障整体一致性和持续性,往往需要通过共识算法来达成。

随着区块链的发展,共识机制也在不断的发展演变。目前,较为主流的算法有PoW、PoS、DPoS、PBFT等,但在实际使用时,每种算法都有各自的优点和缺点。

工作量证明/ PoW



PoW简单理解就是一份证明,用来确认节点做过一定量的工作。类似大家共同去解答同一个题目,先计算出来的人就拥有了记账权,并可以获得相应的报酬。监测工作的整个过程通常是极为低效的,而通过对工作的结果进行认证来证明完成了相应的工作量,则是一种非常高效的方式,比特币在生成就采用了PoW 机制。PoW机制的优点在于完全的去中心化,节点(用户)之间实现了公平竞争,但缺点也非常明显,浪费能源和效率低下。


权益证明/PoS 及 权益授权证明/DPoS



PoS 也称权益证明机制,类似于把资产存在银行里,系统会根据持数字资产的数量和时间的乘积选出记账节点并分配相应的权益。如果说PoW主要比拼算力,算力越大,挖到一个块的概率越大;PoS则是比拼余额,通俗说就是自己的手里的币越多,挖到一个块的概率越大。以太坊采用的就是PoS机制。虽然PoS有着降低能耗,达成共识速度快等优点,但也存在着容易趋于集中化、流动性差等不足。


DPoS是基于PoS发展而来,类似董事会的授权共识机制,该机制让每一个持币人对整个系统的节点进行投票,决定哪些节点可以被信任并代理他们进行验证和记账,同时生成少量的对应奖励。总结来说,DPoS机制大幅提高区块链的处理能力,并降低区块链的维护成本。


瑞波共识机制/ Ripple Consensus



瑞波共识算法使一组节点能够基于特殊节点列表达成共识,初始特殊节点列表就像一个俱乐部,要接纳一个新成员,必须由 51% 的该俱乐部会员投票通过。共识遵循核心成员 51% 权力规则,外部人员则没有影响力。

什么是共识机制?如何理解区块链的共识机制?-第1张图片


说到区块链共识机制就不得不提到拜占庭将军问题


拜占庭将军问题是由Leslie Lamport等人在1982年提出,被称为The Byzantine Generals Problem或者Byzantine Failure,其可简单描述为:


拜占庭帝国想要进攻一个强大的敌城,由拜占庭将军们分别率领一支军队共同围攻。因为这座城市很强大,如果不协调统一将军们的行动策略,部分军队进攻、部分军队撤退会造成围困失败。因此各位将军必须通过投票来达成一致策略,要么一起进攻,要么一起撤退。


但因为拜占庭将军们是分散在各个角落,他们只能通过信使互相联系。这样一来每位将军根据自己的投票和其他将军送过来的投票,获得投票结果,从而决定是进攻还是撤退。


而问题的复杂性就在于:将军中可能出现叛徒,他们不仅可以投票给错误的决策,还可能会选择性地发送投票。假设忠诚的将军中一半投“进攻”,另一半投“撤退”,这时候叛徒可能故意给投“进攻”的将军投“进攻”,而给另外投“撤退”的将军投“撤退”。这样,双方得到的投票结果都是按自己的决策实施,一致性就遭到了破坏。此外,即便所有的将军都是忠诚的,将军之间派出去的信使也可能被敌军截杀,甚至被间谍替换,也就是说将军之间进行交流的信息通道是不能保证可靠性的。


那拜占庭将军问题有解吗?答案是有的,但有个前提,那就是叛徒的数量不能大于等于1/3,也就是实现拜占庭容错,使得即便存在叛徒的情况下,忠诚的将军们仍能达一致目标。


简单来说,拜占庭容错是能够抵抗拜占庭将军问题导致的一系列失败的系统属性。看到这里想必大家已经知道了,这不就是区块链技术的共识机制吗?



拜占庭容错与共识机制


实际上,拜占庭容错就是解决去中心化系统的共识问题,而区块链的核心价值之一就是共识。


在区块链项目中,最常用的BFT共识机制是实用拜占庭容错算法PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)。该算法是Miguel Castro和Barbara Liskov在1999年提出来的,解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题,将算法复杂度由节点数的指数级降低到节点数的平方级,使得拜占庭容错算法在实际系统应用中变得可行。


在PBFT 模型下,有一个节点会被当做主节点,而其他节点都是备份节点,PBFT就是是针对状态机副本复制为主的分布式系统执行环境开发的算法,旨在让系统中大部分的诚实节点来覆盖恶意节点或无效节点的行为。在PBFT算法中,首先采用密码学算法保证节点之间的消息传送是不可篡改,其次一个节点代表一票,最终以少数服从多数的方式实现了拜占庭的容错演算,至多容错量以不超过全部节点数的1/3,意即如果有超过2/3的正常节点,整个系统就便可正常运作(R≥ 3F + 1; R:节点总数,F:有问题节点总数)。


正是通过共识机制、加密算法等技术,区块链将一个去中心化的不可信网络变为可信网络,使得所有参与者可以在某些事情上达成一致,也让价值传递成为了可能。


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