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第3讲 | 浅说区块链共识机制

第3讲 | 浅说区块链共识机制-极客时间

第3讲 | 浅说区块链共识机制

2018-03-30 陈浩 来自北京
《深入浅出区块链》
课程介绍

讲述：黄洲君

时长09:44大小5.58M

我在第 2 讲“区块链到底是怎么运行的”一文中，提到了“打包 Transaction”和“广播交易”这两个概念，因为概述的原因，当时只带着你走了一遍过程。其实，以上谈到的两个内容正是区块链最核心的技术内容之一：共识机制。
区块链发展至今，已经形成了各种不同类型的共识机制，在今天的文章中，我们就展开聊一聊区块链共识机制到底是什么，以及区块链的共识过程到底是怎样的。

分布式系统的经典问题： 拜占庭将军问题

拜占庭将军问题其实是虚构出来的一个故事，是为了方便通俗地介绍分布式系统所面临的难题。这里我仅作一个简短的说明，你可以在中文社区找到更丰富的通俗解释材料。
为了避免重复，我们换一种表述形式，还是以上一次的村子为例，假设随着村子和人口的发展，大村子演变成了十一个小村子并分散在各地，各地的通信只能靠信鸽进行。
大家约定了每年都会举办一个相亲大会，至于谁能举办，每年轮流从两个备选村子，A 村和 B 村中选择一个，然后大家投票，票数多者可以赢得举办权。
由于地图很大，任何一个村子的投票都无法靠一只信鸽传输到每个村子，必须靠一个中继村子代为传输，这也就意味着有中继村子可以读到其他村子的投票信息。
那么，如何防止下面两个问题的出现呢？
投票者的“精分”，这里所谓的“精分”是指某个村子的投票行为不一致，发送给第一个村子的投票消息为“投票给 A”，而发送给第二个村子的投票消息却为“投票给 B”。
中继村子作弊，即篡改上一村的投票消息。
上面讨论的问题我们可以认为是简化的 “拜占庭将军问题”（完整的拜占庭将军问题还有将军 - 副官模型，如果感兴趣的话，你可以自行阅读）。
我们回头再看区块链。区块链本质上也是分布式系统的一种，其共识机制也是为了上述问题而提出的解决方案。

什么是区块链共识机制？

共识机制是区块链是核心的组成要素之一，它决定了区块链的业务吞吐量、交易速度、不可篡改性、准入门槛等等，是最为关键的技术要素之一。
要理解区块链共识机制，首先就需要理解区块链共识机制到底解决了什么问题。
共识机制主要解决了两个问题：
谁有权利；
作弊问题。
上一次我们构造了一个中心化记账的场景，在这个场景下，记账问题其实可以简化为大家信任中心记账者即可。
然而在分布式记账的场景下，问题更为复杂。首先，大家面临的最大问题是谁有权利记账，其次是如何避免记账者作弊。毕竟，谁都有权利记账，也就意味着谁都有可能作弊。
以上两部分共同构成了区块链共识机制。
另外补充一点，在比特币社区，“共识”（consensus）这个词已经跳出了技术的范畴。通常人们在表述一个比特币上的问题时，共识的内涵还包括比特币的使用者、开发者、矿工来达成社区共识的部分，所以“共识”这个词在区块链领域还有些“民主”的味道，不单单是技术领域的“共识”。

最经典的入门型共识机制：PoW 工作量证明

PoW （Proof of Work）工作量证明可以解决上述的两个问题，
在上一篇文章中，其实我们已经悄悄讲解了一点 PoW 共识机制，你还记得上文提到的“24 点”那个游戏吗？“24 点”其实是尽可能随机地选取系统中任意的节点来规避作弊者，这个方案的实践其实就是 PoW 共识机制。
产生记账者的随机性其实来自于谁最先计算出 24 点的答案，这个问题可以简化成谁拥有的计算资源更多，谁就拥有整个系统的最大概率的记账权。一旦这个概率超过一半以上，那么这个系统就有一定的中心化风险。
如何理解上面一段话呢？
举个例子，李四家发明了一种算盘，可以快速计算 24 点答案，比起其他人掰手指头，李四家总是有很大的概率拿下记账权，换句话说，也就是李四和全村其他所有人竞争，相当于算盘对全村其他人手指头的竞争。
如果算盘足够强大，就能有一半的概率获得记账权，那么李四个人的诚实性，就成为了系统的唯一破绽。
比如李四在第一次记账时篡改部分交易，第二次还是他记账，还继续篡改交易，那么两次修改如果自洽的话，是可以形成假账的，这就是所谓的中心化风险。
所以在 PoW 这种机制中，计算资源（又称算力）是决定记账权的唯一因素。与之对应的，便是计算难度。
计算难度又称作挖矿难度，计算难度是区块链为了控制产生答案的速度，比如平均 10 分钟就有一个答案产生，平均 2 分钟一个答案产生。
在上述场景中，因为李四有了算盘，强大的计算资源突然加入以后，肯定会让整个系统的产生答案的速度变快很多，作为系统本身会自适应，将难度提升，降低答案产生的速度。
上面介绍了这么多，其实是想引出另外一个问题，PoW 到底是如何避免作弊者的呢？答案就是计算资源（算力）。
设想，如果一个作弊者想篡改信封里面的交易，首先得获得记账权，也就是装信封的权利。
而影响记账权的唯一因素只有计算资源（算力）的大小，如果想篡改交易，只能投入大量的计算资源与整个系统中其他所有人进行对抗，这是十分困难的，尤其在整个系统有一定基础计算资源（算力）的情况下。
PoW 中一个有趣的设计是激励机制，在 PoW 共识机制下，我们假设所有参与者都是理性的，理性的意思就是单纯逐利，不考虑家庭、爱好等其他因素。有了理性的前提，PoW 共识机制会给每个诚实的记账者予以奖励，这个设计可以抗击作弊收益的问题。
怎么进行抗击的呢？整个过程是这样的，理性的人如果作弊、篡改账本肯定需要投入成本，也就是计算资源，收益是篡改账本获得的收益减去投入成本，这个收益往往小于诚实计算所获得的收益。所以，作弊者在作弊过程中投入的计算资源过大，反而得不偿失。

PoW 工作量证明的补充：解决双花攻击

上面给出了一个结论，我们说作弊的收益往往小于诚实计算的收益。这一点其实对应到区块链领域有个著名的问题：双花攻击（double-spending） 。
双花攻击是指一个代币被花费了两次，这在任意的区块链系统中是不被允许的。如果避免了双花问题，基本就能避免上述作弊中收益过大的问题，因为攻击者首先要窃取到你的私钥，同时又能控制了你的计算资源（算力）。
为了方便分析，我们回到上一篇中广播交易的那一节。那一节中我介绍了广播的内容分为两种，第一种是 Transaction，第二种是区块，也就是信封。
第一种又被称为未确认的 Transaction，第二种信封中所有的交易被称作已确认的 Transaction。
所有记账节点都会遵循以下两条规则：
规则一：一个代币如果已经被花费，那么会被标记成已花费，如果再次接收到这个代币被花费的请求，那么记账节点会拒绝打包这笔交易；
规则二：如果同时接收到两个信封，这两个信封中装的两笔交易出现了一个代币被花费了两次的情况，这种情况也就是我们所说的分叉（Fork），那么选择挖矿难度比较大的那个信封。
规则一避免了未确认的交易出现双花，规则二基本避免已经确认的交易中（信封中）的双花问题。
假设作弊者的计算资源（算力）占整个系统的 30%，那么连续两次获得记账权的概率是 9%，看起来作弊的可能性还是挺高的，如果是连续 6 次获得记账权呢？概率直降到万分之七。
在比特币中，这个 6 也就是 6 次确认，表示连续 6 个块过去了，如果我的交易没有被双花的话，那么它被篡改的可能性将越来越小，最后变得几乎不可能被篡改。这也是区块链不可被篡改说法的由来。
试想，如果任何作弊者花了大量的成本获取了系统 30% 的计算资源（算力），最后只有万分之七的概率获得篡改的可能性，比起作弊，还不如诚实记账的收益高。

总结

好了，今天带你了解了区块链的共识机制，也顺便浅谈了拜占庭将军问题，介绍了区块链的入门共识机制 PoW，它其实也是目前区块链领域使用最广泛，应用最成熟的共识机制。
最后，还涉及了一部分 PoW 工作量证明的补充：解决双花攻击。由于篇幅所限，我们将在技术篇详细讲解 PoW、PoS、DPoS 等共识机制。
那么，亲爱的读者，你觉得 PoW 共识机制和其他分布式一致性算法有什么不同吗？欢迎给我留言，一起讨论。
感谢你的收听，我们下期再见。
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精选留言(48)

  • 朱显杰
    2018-03-30
    PoW算法的特色是结合了经济学上理性人的假说，发明了激励机制，让做好人的奖励大于做坏人的获利。但我觉得比特币每4年递减的特点可能会导致这个天平被打破，比特币奖励越来越少，而比特币总量越来越多，是否意味着某一天可能作恶的收益要大于做好人的收益呢？

    作者回复: 1. 可能的，不过这个周期非常长，临界点可能在这个世纪末，但由于不确定因素非常多，多因素综合，例如到时比特币100万美金一个，即使低收益只要可以覆盖成本即可，而且作弊是概率的，只有期望值。所以足够的时间会发现新的算法来修正PoW，或切换其他共识 2. 比特币的总量是恒定的

    19
  • 酱了个油
    2018-03-30
    对六次确认的描述比较困惑...
    18
  • 4Neutrino
    2018-05-25
    老师好，有点疑问，算力强大的单位，就算难度提升了，那他挖矿成功的概率还是高啊？这似乎没有解决中心化问题吗

    作者回复: 问题是这些算力有没有进入门槛，如果没有，普通人也可以介入，那么就是公平的，算力中心化的威胁只有51%攻击，实际上达到51%，矿工的攻击动机也是不足的，因为很容易被发现，攻击成功会造成用户流失，短期收益很高，但是断了自己的长期财路，矿工一般不会选择攻击。所以问题就演变成攻击是否可以被公众感知。

    8
  • 静。安
    2018-03-31
    老师作为一个软件开发人员区块链技术应该向什么方向学习呢，还有前景问题，望老师解惑，谢谢！

    作者回复: 1. 公链开发。偏底层 2. 区块链应用开发。 偏智能合约 两个都需要区块链基础知识作为支撑，先打好基础，再找方向ο(=•ω＜=)ρ⌒☆。

    8
  • Alexcsl
    2018-03-30
    关于双花问题，如果双花交易同时出现在两个区块中，那应该根据挖矿难度的大小，自动舍弃一个区块，保证只有一次花费被确认。这和算力，连续六次记账的概率有什么关系呢？是因为进行双花攻击的时候，是把两笔交易记在同一个区块里，一旦由另一个节点进行merkel树检验，会发现异常，必须由攻击节点连续记录六个区块么？还请老师解惑

    作者回复: 已在其他回复中回答。

    7
  • finch
    2018-03-30
    pow跟一般分布式算法的区别在于，pow是有激励机制，并且作弊是要有代价的，代价与激励之间的博弈使得比特币过得安全。个人见解。
    7
  • 酱了个油
    2018-03-30
    分布式存储的一致性的算法并不判断数据真伪的问题，不具备防篡改的能力，抛出备份数据，它维护的是仅一套数据，它本身是中心化系统的一部分，与区块链有本质区别。存储方式上来看，更像“只存储数据为主的cdn”。
    5
  • 席彬
    2018-03-30
    陈浩老师好，有两个问题请教 1双花攻击中后一个区块如何验证前一个区块是否“作弊” 2区块链产生分叉后，新产生的区块如何“选择”加入哪一个分支

    作者回复: 你好。 1. 每一笔交易记录都是有前向输入的，如果已经被花费过，则状态已经变更为已花费，再次话费共识验证的代码会检验不过，拒绝被打包。这个我曾经在比特币上干过，修改本地节点代码后发起攻击，交易不会被打包，除非全球的矿池同时重启，也是概率会成功，仅限未被确认的交易。 2. 通俗说法叫做所有节点跟随最长的一条分叉链，共识代码规定的。专业的说法叫做“难度”累积最大的一条链。

    3
  • 荔荔要去看世界
    2018-05-14
    交易算作确认的条件 1.交易存在于最长分的一个区块中 2.后面至少有5个区块被验证过

    作者回复: 是的，这是比特币的确认条件。

    2
  • TaoLEE
    2018-05-01
    为什么说共识机制有"民主性"？

    作者回复: 共识机制狭义上指分布式一致性，实际上也可以拓展到区块链治理共识。

    2
  • 流星🌠火箭🚀蛋�...
    2018-04-12
    老师，您好，请教一下：看了文章和您在讨论区的一些回复，还是没搞明白挖矿和比特币的关系，您打的比喻：挖矿产生的区块相当于数据库，而比特币相当于积分，这个怎么理解呢？这是说比特币是写在对应区块的一笔交易记录吗？还有是不是每产生一个区块就会派发一个比特币？比特币归属怎么来记录呢？每个区块里边是不是可以无限追加交易记录？我这还没入门，希望老师赐教哈

    作者回复: 1. 积分记录在数据库的表中，谁有权利创建新表，谁就能获得积分。 2. 比特币是表中有效的未花费记录 3. 一个区块就是一张新表，表可以哈希后串起来 4. 不是无限的，有区块容量限制

    共 2 条评论
    2
  • Hollis
    2018-04-03
    我有个问题想问下： 工作量证明的题是谁出的？如何保证节点收到的题是一样的？

    作者回复: 细节我们会在深入技术一章中讲。 每次难题都是基于当前全网的状态和上个区块作为输入，所以每个人得到的难题都一样。

    2
  • 昊
    2018-03-31
    你好，请教一个问题，比特币中的币和对应区块链的区块是一个东西吗，如果不是，那币具体是什么

    作者回复: 币是业务逻辑，区块是技术逻辑。币是网站积分，区块是数据库的表。

    2
  • 蜡蜡
    2018-03-30
    陈老师，您好，认真看了五遍，还是不太懂共识机制和工作量证明的原理。望陈老师指点: 共识机制是为了全网形成形成正确的共识： 1）原文易被篡改； 2）收信人无法验证原文是否被篡改； 其中工作量证明相当于去猜福利彩票双色球的中奖号码：你只要趴在桌上写啊写，就一定能够写中下一期的中奖号码，只是要花点力气而已。
    展开

    作者回复: 原交易不被篡改是由非对称加密保证的，这里说的共识是大家达成一致记录，不被扰乱的过程。 工作量证明与彩票，可以这么理解。重点是中奖之后的逻辑。

    2
  • 风
    2022-04-20
    老师，这讲说的是成本与收益的角度考虑，正常人不会做亏本的买卖，但如果有人就是为了搞破坏，就愿意花100万给墙上砸个钉子，这样也是有问题的吧？怎么避免这种问题的产生呢？
    1
  • Geek_435bc9
    2021-12-19
    大佬，你说得拜占庭将军问题的可以在中文社区找到资料，是哪个社区呢？小白刚上路
    1
  • Happy
    2018-10-09
    大佬您好 所謂一個区块被打包 需要6次确认 是判断拥有6次记账权？还是什么意思 ，所谓的6次确认是怎么确认的 谢谢

    作者回复: 一次确认就代表已经刚刚被打包进区块，两次确认就代表又产生了一个新块引用这个区块，链式引用，引用越多就代表被篡改的可能性越小，6个确认是在概率上认定为基本不可能被篡改了，所以6次只是一个建议，由用户自己选择的，当前比特币网络很稳定，一般1~2就可以认定有效，以太坊一般是12个。

    1
  • hk
    2018-07-20
    我有一个问题：用户的当前token数量是怎么维护的，是要从当前区块一直回溯到创世区块，遍历所有和自己相关的Transaction才能计算出来吗？

    作者回复: 是的，后面有一篇文章 《数字货币钱包服务》里有介绍扫块

    1
  • 匿名用户
    2018-06-16
    如果币全部被挖掘出来，那么旷工是不是没有存在的意义了？？？那么之前讲过每笔交易都要旷工加一个信封，那币挖完之后要继续交易的信封怎么办？

    作者回复: 可以改共识，形成微通胀模型。 也可以通过提高手续费

    1
  • 糖堆儿
    2018-06-01
    规则二中，如果两笔交易在不同包里，即是先后接收到已确认的交易呢？处理机制请问是什么呢

    作者回复: 你好，接受到区块以后，里面包含的交易会被从交易池删除，重复的区块会被废弃。

    1