{"id":79,"title":"区块链技术中的共识机制","abstraction":"共识机制（Consensus Mechanisms）是分布式系统在不可信节点存在的情况下，用于达到一致意见的机制。共识机制不仅是区块链技术的基础之一，也是时钟同步、负载均衡等技术的基础。","content":"

共识机制（Consensus Mechanisms）是分布式系统在不可信节点存在的情况下，用于达到一致意见的机制。共识机制不仅是区块链技术的基础之一，也是时钟同步、负载均衡等技术的基础。

拜占庭问题

共识机制是不少计算机科学的基础问题之一。计算机科学家和数学家Leslie Lamport为了描述分布式计算机系统存在故障机时达到共识的问题，将其抽象为“拜占庭问题”：

假设在若干个将军带兵要攻打同一座城堡，且这些将军之间因为距离过远，无法当面讨论攻城策略，只能靠相互之间派兵传口信。现在这些将军们面临一个分歧，有些将军认为无法攻下城堡，希望撤军；另一些将军认为可以攻下城堡，希望合力攻击，大家需要投票来决定到底是撤军还是继续攻城。无论撤军还是攻城，只要所有将军采取执行相同的动作，都不会造成过大的损失。但是如果一部分将军最终撤军，另一部分将军最终攻城，则从整体上来看，他们的损失是最大的。
如果仅仅是通过投票按照少数服从多数的原则，是可以解决这个问题的。但是这些将军不是机器，他们是人，是人就面临更复杂的情形了：如果哪位将军投了攻城的票，但是实际撤军怎么办？如果哪位将军给一部分将军说自己要撤军，给另一部分将军说自己要攻城怎么办？如果将军们发出的口信没有成功到达其他将军那里怎么办？

Leslie Lamport还给出了这个问题的明确证明：所有将军中至少有2/3的人可信时，就可以达成准确的共识。记不可信人数为N，则总人数大于3N时，才能达成共识。Leslie Lamport因为对分布式计算的贡献获得了2013年的图灵奖。Solana中SOL的最小单位命名也是Lamport，也是使用了这位科学家的名字。

由于区块链是完全分布式的系统，没有中央节点统管其他节点。要想让整个系统能够按照预定的原则持续运行，就需要某种共识机制来维持系统的稳定，各个节点按照共识机制从系统中甄别错误的消息。目前主流的共识机制包括：

工作量证明，Proof of Work，PoW
权益证明，Proof of Stake，PoS
历史证明，Proof of History，PoH
其他还有Proof of Authority、Proof of Space等

工作量证明机制（PoW）

Bitcoin网络节点采用PoW机制达成共识。Bitcoin网络中的“挖矿”是一种竞争性行为，其技术本质是不同节点向网络中提交新的区块，这个新的区块只有满足规定的数学运算特性才能够被其他节点认可。新的区块内容是其他用户的比特币交易信息，“矿工”在提交交易信息时，需要生成随机数nonce，使得nonce和交易摘要信息拼接后的Hash值满足前M比特为0的要求。具体的M值由网络动态调整，可以预见，M越大，“矿工”的计算成本越高。

当一个“矿工”成功地找到一个满足条件的nonce值后，他就向网络中的其他“矿工”发送nonce值以及交易信息。其他“矿工”会验证这个nonce究竟是否满足规则，而验证的方法非常简单，只需要做Hash运算就行。通过了大多数节点的验证，“矿工”也就证明了是自己计算出了nonce值，从而获得虚拟货币作为奖励。这就是工作量证明的机制。

工作量证明机制有以下特点：

“矿工”的计算量非常大，而验证所需要的计算机量很小
这一特点的直观体现就是“费电”。按照EIA的统计，“挖矿”造成的电力消耗约占美国电量消耗的0.6%至2.3%。
交易确认的速度较慢
由于交易的确认需要耗费大量的算力，也就对应着更多的运算时间。比特币网络中一笔交易第一次确认大约需要10分钟，如果想确认交易不被逆转，有可能需要大约1小时的时间。
存在“51%攻击”缺陷
简单来讲，如果一个节点的算力超过整个网络算力的50%，它就可以改写区块链网络的交易信息，相当于控制了整个交易链。这个节点就可以一笔钱花两次、选择性地确认其他节点的交易等。通常我们认为分布式系统中有如此大的算力是几乎不可能的，但是现实世界已有人在尝试了。根据qubic组织的声明，他们已经尝试使用超过51%的算力来控制门罗币。

权益证明机制（PoS）

另一种较为流行的共识机制是权益证明（PoS），这种机制不需要耗费大量算力。例如在Solana网络中，新的区块由系统随机选择的验证节点（Validators）进行算，其他节点只负责检查新的区块是否合法。也就是说，区块的生成不再需要解决复杂的数学难题，所以整体算力消耗也低得多。PoS里面的S代表Stake，指的是验证节点（Validators）需要首先向系统支付一笔押金，从而获得生成区块的权利。

如何保证验证节点（Validators）按照预期工作呢？PoS机制有两个关键过程：一是验证节点每成功生成一个新的区块，且得到其他节点的验证，该验证节点就可以获取一定数量的奖励；二是验证节点生成了错误的区块后，会被系统扣取一定数量的罚金，罚金从验证节点支付的押金中扣减。

权益证明机制有以下特点：

验证节点不需要耗费大量的算力/电力
因为只有选定的验证节点执行运算，所以消耗的算力/电子都低于PoW。
交易处理的效率非常高
在Solana网络中，交易处理的速度可以达到每秒65K，通常可以在几秒的时间内确认交易；如果想确认交易不会被逆转，也只需要十几秒的时间，显著低于PoW机制。
验证节点被选中的概率与支付的押金成正比
系统按照每个验证节点支付的押金比例随机发放区块生成任务，支付的押金越多，被选择的概率越大。这有会可能形成马太效应，即支付的押金越多，最终能够获得的奖励越多，导致“富者愈富”。

历史证明机制（PoH）

历史证明机制（PoH）是Solana网络为了提升交易的呑吐量而对PoS机制进行的改进。无论是是PoW还是PoS机制，它们都存在呑吐量的瓶颈，为什么会这样？这需要理解区块链的冲突解决机制：“区块链”这个词本身描述的是一种确认的链或者状态，即网络中各节点达成一致的账本。然而实际情况中，为了找到这种一致的状态，需要从多个不同的状态（或者说一个链的多个分支）中进行投票。例如节点A、B、C都同时向网络中提交了一个区块，且都是有效的，应该最终采用哪一个区块呢？答案是随机选择，大家都随机选择一个区块作为有效区块，然后接着往后面添加区块。再过一段时间，这三个分支会成长为不同的区块高度，此时网络中的节点就会抛弃更低高度的区块，只保留最大高度的分支。

在这个选择过程中，尽管一些分支上的交易是有效的，最终也会被网络抛弃。这表明：1）有些人白挖矿了，当然这是随机的，是公平的，大家都会碰到；2）交易者提交的交易有可能一开始被节点写入到区块账本中，但后来被网络抛弃了，这笔交易又被退回到待处理的状态，也就被逆转。3）交易的确认需要很长时间，长到我们认为一笔交易不可能被逆转的时候，例如一笔交易所在的区块后面已经加入了10个区块了，想要再逆转这个链就需要“51%攻击”方式了，我们就认为这笔交易真正在上链了。

Solana网络修改了区块生成的机制，新的区块生成不再是各个验证节点竞争完成，而是由“Leader Schedule”指派给某个验证节点，这样就不会出现很多的区块分支需要维护，从而也就提高了呑吐量。这个指派是按照Slot（大约400ms）为单位随机轮换的，每个Slot会生成0个或1个区块。“Leader Schedule”不是一个中心节点，而是由随机算法选取出的验证节点，按照Epoch为单位（大约2天）承担指派的任务。按照这个思路，接下来需要解决的问题就是时间的同步问题，在一个没有标准时间同步的P2P网络中，大家如何知道当前Slot是哪个验证节点负责？

Solana创造性地提出了使用SHA-256计算过程作为参考时间的方法，从而去除了对标准时间的依赖。具体来讲，假设给定一个随机数random_a，基于该随机数开始迭代地计算SHA-256值，每计算一次，就称为一个tick。不同的验证节点从同一个随机数出发，能够计算出来的结果序列是一致的。有了这个方法来作为时间的参考，验证节点在生成区块时就可以插入若干SHA-256值的计算结果，其他节点就能够将其当作时间来对待，以进一步确认当前Slot到底是哪个验证节点负责生成区块。这个过程就称为Proof of History。

注意，不同的验证节点计算SHA-256的速度是不一样的，其tick值相对标准时间（例如纳秒）也是不一样的，但是它对整个系统没有影响。首先现代CPU对SHA-256都已经做了极度优化（受比特币挖矿的影响），相互之间的计算速度不会有很大的数量级差别；其次，每个Slot结束后，Leader会重新选择下一个验证节点，其初始随机数也同时指定，不管它之前算得快还是慢，都会重新从这个随机数开始计算。

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