共识机制
比特币网络是完全公开的,任何人都可以匿名接入,因此共识协议的稳定性和防攻击性十分关键。
比特币区块链采用了 Proof of Work(PoW)机制来实现共识,该机制最早于 1998 年在 B-money 设计中提出。
目前,Proof of X 系列中比较出名的一致性协议包括 PoW、PoS 和 DPoS 等,都是通过经济惩罚来限制恶意参与。

工作量证明

工作量证明是通过计算来猜测一个数值(nonce),使得拼凑上交易数据后内容的 Hash 值满足规定的上限(来源于 hashcash)。由于 Hash 难题在目前计算模型下需要大量的计算,这就保证在一段时间内,系统中只能出现少数合法提案。反过来,如果谁能够提出合法提案,也证明提案者确实已经付出了一定的工作量。
同时,这些少量的合法提案会在网络中进行广播,收到的用户进行验证后,会基于用户认为的最长链基础上继续难题的计算。因此,系统中可能出现链的分叉(Fork),但最终会有一条链成为最长的链。
Hash 问题具有不可逆的特点,因此,目前除了暴力计算外,还没有有效的算法进行解决。反之,如果获得符合要求的 nonce,则说明在概率上是付出了对应的算力。谁的算力多,谁最先解决问题的概率就越大。当掌握超过全网一半算力时,从概率上就能控制网络中链的走向。这也是所谓 51% 攻击的由来。
参与 PoW 计算比赛的人,将付出不小的经济成本(硬件、电力、维护等)。当没有最终成为首个算出合法 nonce 值的“幸运儿”时,这些成本都将被沉没掉。这也保障了,如果有人尝试恶意破坏,需要付出大量的经济成本。也有人考虑将后算出结果者的算力按照一定比例折合进下一轮比赛。
有一个很直观的超市付款的例子,可以说明为何这种经济博弈模式会确保系统中最长链的唯一性。
Pow 保证一致性
假定超市只有一个出口,付款时需要排成一队,可能有人不守规矩要插队。超市管理员会检查队伍,认为最长的一条队伍是合法的,并让不合法的分叉队伍重新排队。新到来的人只要足够理智,就会自觉选择最长的队伍进行排队。这是因为,多条链的参与者看到越长的链越有可能胜出,从而更倾向于选择长的链。
可以看到,最长链机制可以提高很好地抗攻击性,同时其代价是浪费掉了非最长链上的计算资源。部分改进工作是考虑以最长链为基础,引入树形结构以提高整体的交易性能,如 GHOST 协议(《Secure high-rate transaction processing in bitcoin》)和 Conflux 算法(《Scaling Nakamoto Consensus to Thousands of Transactions per Second》)。

权益证明

权益证明(Proof of Stake,PoS)最早在 2013 年被提出,最早在 Peercoin 系统中被实现,类似于现实生活中的股东机制,拥有股份越多的人越容易获取记账权(同时越倾向于维护网络的正常工作)。
典型的过程是通过保证金(代币、资产、名声等具备价值属性的物品即可)来对赌一个合法的块成为新的区块,收益为抵押资本的利息和交易服务费。提供证明的保证金(例如通过转账货币记录)越多,则获得记账权的概率就越大。合法记账者可以获得收益。
PoS 试图解决在 PoW 中大量资源被浪费的问题,因而受到了广泛关注。恶意参与者将存在保证金被罚没的风险,即损失经济利益。
一般情况下,对于 PoS 来说,需要掌握超过全网 1/3 的资源,才有可能左右最终的结果。这也很容易理解,三个人投票,前两人分别支持一方,这时候,第三方的投票将决定最终结果。
PoS 也有一些改进的算法,包括授权股权证明机制(DPoS),即股东们投票选出一个董事会,董事会中成员才有权进行代理记账。这些算法在实践中得到了不错的验证,但是并没有理论上的证明。
2017 年 8 月,来自爱丁堡大学和康涅狄格大学的 Aggelos Kiayias 等学者在论文《Ouroboros: A Provably Secure Proof-of-Stake Blockchain Protocol》中提出了 Ouroboros 区块链共识协议,该协议可以达到诚实行为的近似纳什均衡,被认为是首个可证实安全的 PoS 协议。
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