區塊鏈突破不在技術?而是取決於…
與最近幣圈萎靡狀態不同的是,越來越多區塊鏈應用加速進入落地階段。
而區塊鏈應用落地,表面上看來,是區塊鏈技術層面的突破,然則,真正加速區塊鏈進展的其實是“共識機制”的設計。
為何會如此?
還要從“共識機制”的演進中找答案。
拜占庭將軍問題 VS 兩軍問題
一
拜占庭將軍問題本質上是一個共識問題,產生於1982年一位美國電腦科學家Leslie Lamport的頭腦中。這也是“共識問題”在歷史上第一次真正、嚴肅地被提出並加以審視。
拜占庭帝國在攻打一個強大的敵國時,派出10支軍隊,分散包抄,同時攻擊。但問題來了,這個敵國的實力足以抵禦5支拜占庭軍隊的同時襲擊,也就是說,拜占庭的10支軍隊中,至少要保證有6支軍隊能同時接收到正確的指令,採取襲擊行動。
這些分散在敵國四周的拜占庭軍隊,只能依靠“信差”傳遞資訊,協商進攻意向與時間。困擾將軍們的一個問題,他們不確定是否有叛徒,叛徒們可能擅自變更進攻意向與進攻時間。
因此,在達成共識的過程中,有些資訊可能並不代表大多數人的意見,那麼,如何在已知有叛徒的情形下,其餘忠誠的將軍們達成一致的協議,這就是著名的“拜占庭將軍問題”。
二
白軍駐紮在溝渠裡,藍軍分散在溝渠兩邊,只有溝渠兩邊的藍軍同時合力進攻,才有可能擊敗白軍。而藍軍無法遠端溝通,只能派遣信差穿過溝渠通知對面的藍軍協商進攻時間。
信差在傳遞資訊的途中可能被白軍殺死,或因軍隊距離不能在得到訊息後及時回覆,傳送方也無法確認訊息是否丟失,導致不可能達到一致性,那麼是否存在一個使藍軍必勝的通訊協議,這是兩軍問題,十分容易與拜占庭將軍問題搞混淆。
需要注意的是,拜占庭將軍問題和兩軍問題有著本質的差別,兩軍問題中,沒有叛徒之說;而拜占庭將軍問題中,也沒有考慮兩軍問題,即,假定了一個大前提,通道是可靠的。
Lamport已證明,在分散式計算上,試圖在 非同步系統 和 不可靠的通道 上達到一致性是不可能的。所以,在研究拜占庭將軍問題時,假定通道是沒有問題的,在此前提下再去研究一致性和容錯性。
區塊鏈的雛形正是來源於構建一個可以完美解決“拜占庭問題“的容錯系統。共識演算法機制幾經迭代,也只為找尋最完美的解決方案。
PBFT演算法
1999年,Miguel Castro和Barbara Liskov 提出了PBFT演算法,用於解決拜占庭將軍問題。
PBFT,實用拜占庭容錯演算法(Practical Byzantine Fault Tolerance)。該演算法在保證活性和安全性的前提下提供了(n-1)/3的容錯性,即,節點數需要達到(3n+1)個,才能容錯n個節點。
優點:
依靠嚴格的數學證明,具備(n-1)/3的容錯性
缺點:
1. 網路節點不能太多,一旦過多,很容易造成整個網路嚴重堵塞;
2. 當1/3及以上的節點停止記賬後,系統將無法正常執行。
POW共識機制
Proof of Work,工作量證明。該理念最早由Cynthia Dwork和Moni Naor 於1993年提出。可以簡單的理解為“按勞索籌”,付出多少工作量,就會獲得多少報酬。比特幣就是採用的POW共識機制,通過計算猜測一個數值,解決規定的Hash問題。
該機制主要會消耗計算機三類資源:消耗CPU資源(例如比特幣)、消耗記憶體資源(以太坊為了防止與比特幣採用相同的共識機制造成51%攻擊,採用了一種需要佔用大量記憶體資源的POW演算法)、消耗網路資源。
優點:
1. 該機制本身比較複雜,大大提高了攻擊者攻擊的成本;
2. 能鼓勵更多的人加入進來,使得節點數量快速擴大;
3. 按勞索籌的挖礦方式,實現了相對的公平。
缺點:
1. 需要計算機提供算力,大量耗費電力能源,有違環保理念;
2. 礦機晶片從CPU、GPU、FPGA到ASIC的迭代,算力越來越集中,逐漸朝著中心化發展;
3. 隨著挖礦成本越來越高,當高於挖礦收益時,曠工積極性便會降低,網路節點會減少。
POS共識機制
Proof of Stake,權益證明/股權證明。由一個名為Quantum Mechanic的數字貨幣愛好者於2011年提出,吸取了POW太多耗費算力的教訓,POS比的是誰手持的幣越多,挖到一個塊的概率越大。以太坊採用的便是POW和POS的組合。
優點:
1. 節能;
2. 對計算機硬體無過高要求,人人可挖礦;
3. 避免緊縮,POS機制的加密貨幣會按一定的年利率新增貨幣,可以有效避免因為各種原因使用者丟失貨幣造成的緊縮。
缺點:
純POS機制的加密貨幣,只能通過IPO方式發行,這會導致富者越富,大量代幣集中在少數人手中,也會容易變得更加中心化;
DPOS共識機制
Delegated Proof-Of-Stake,代理股權證明。針對前兩種機制中存在的不足之處,2013年8月,BM在啟動位元股專案中採用了DPOS共識機制,我們熟知的EOS也採用的是DPOS共識機制。
類似於企業董事會制度,將持幣者稱為股東,由股東選出一定數量的代表,代表們輪流產生區塊,收益平分,若有代表不老實,很容易被其它代表和股東發現,不老實的代表會被立即踢出,空缺由排在他後面的代表取代。
可以說,DPOS同時兼具了中心化和去中心化。
優點:
1. 只有選舉出的少數代表節點進行挖礦,進一步降低了能耗;
2. 採用所有持幣者投票選舉代表的方式,更加去中心化;
3. 更高的效率,中心化與去中心化的結合,使得效率有了很大的提升。
缺點:
1. 投票需要耗費時間精力,且還有一定的技能門檻,使得投票的積極性是個問題,大多數持幣者(>90%)從未參與投票;
2. 社群選舉目前還未能及時有效的組織破壞節點的出現,存在安全隱患。
其它改進共識機制
我們可以看到,以上幾種主流共識機制各有其缺點:PBFT的節點數問題、POW的能耗問題、POS/DPOS的中心化問題。
因此根據不同的區塊鏈應用場景,在主流的共識機制上進行了各種改良與衍生。
一
NEO採用的dBFT共識演算法(Delegated Byzantine Fault Toleranc),通過使用者投票選出7個超級節點參與記賬,普通節點可以看到共識過程,同步賬本資訊,但不參與記賬。
二
以太坊的下一代POS共識機制:Casper(投注共識),屬於POS,但又有不同,Casper的共識是按照塊達成的,而不是如POS按照鏈達成的。
此外,Casper還設定有嚴格的懲罰機制,一旦同一個節點兩次投注序號一樣,或投注的序號無法讓Casper合約處理,那麼該節點將失去所有保證金。這樣有效防止了惡意攻擊網路行為。
三
POI,重要度證明共識機制(Proof of Importance),通過使用賬戶重要性評分來分配記賬權的概率。
四
POP,(Proof of Participation) 賬戶參與度演算法,一種將POI和DPOS相結合的演算法機制。
總結
區塊鏈本質是一種分散式儲存資料庫,點對點去中心化網路。這種網際網路技術早在比特幣誕生之前就已存在。而比特幣的設計中引入了POW共識機制後,才使得區塊鏈技術的價值得到了最大化展現。
從共識機制的演進中,我們也能看到,區塊鏈應用的每一次重大進展,與共識機制的迭代密切相關。
共識機制可以說是區塊鏈的靈魂與核心,區塊鏈的應用落地,最終突破點將取決於——共識機制。
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