精进课堂05期：共识机制——区块链世界的运行规则

大家好，我是来自En-Tan-Mo社区的MoMo，

今天，MoMo为大家带来第五期精进课堂的分享：

《共识机制——区块链世界的运行规则》

 

上期精进课堂，我们学习了什么是侧链，知道了侧链在区块链功能拓展方面的作用。本期，我们继续了解区块链中一种重要的机制——共识机制，看看这个区块链世界由多数人共同达成的“规则”是如何运转的。

 

PART 1：平等节点之间的熵减过程

 

物理学上有一个概念叫“熵”，是指任何系统总是从有序走向无序，熵增则代表事物加速混乱，熵减则表示事物走向有序，整个社会稳定发展，实际上也是一个熵减的过程。

 

那么问题来了，社会稳定发展的基础，是中心化的国家权力的集中，就像一把收缩有度的伞，中心支撑着整个伞面的平整；但如果是在去中心化的世界里呢，没有了伞柄，零散的各个节点靠什么撑开伞面？

 

这个时候，整个伞面就变成了风筝，各个节点之间通过相互链接将风筝表面撑起，风筝起飞也需要所有节点的共同作用，这个熵减过程中所有节点共同作用的过程，我们把它叫共识机制。

 

所谓“共识机制”，是通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；对一笔交易，如果利益不相干的若干个节点能够达成共识，我们就可以认为全网对此也能够达成共识。

 

 

当然，区块链作为一种按时间顺序存储数据的数据结构，要使得混乱的节点能够步调一致，共同协作完成某个动作，这个共识机制还必须解决两个基本的问题：

1. 谁有权写入数据——一次只有一个人可以记账
2. 其他人如何同步数据——必须保持账本的一致性

 

以上这两个问题，可以抽象成有效性和一致性两个问题，其必须满足以下条件：

1、有效性，由某诚实节点发布的信息终将被其他所有诚实节点记录在自己的区块链中

2、一致性，所有诚实节点保存的区块链的前缀部分完全相同

 

所有共识机制的达成，都是诚实节点发布的信息被其他节点记录并同时保存的结果。

 

PART 2：效率、安全、去中心化成评判标准

 

尽管我们知道大多数节点都是诚实的，但是万一出现背叛的节点怎么办？有些节点因为网络拥堵延迟，迟迟不确认怎么办？节点无限增加，网络空间不够用怎么办？……

 

这一系列的问题，正是考验一个共识机制好坏的关键指标，可以说，大考临近，这些就是评判标准。

 

1、安全性，网络是否有良好的容错能力，能否抵御包括双花、自私挖矿、女巫攻击等多种网络攻击方式。

以金融交易为驱动的区块链系统在实现一致性的过程中，最主要的安全问题就是如何防止和检测二次支付行为。就是一笔钱花了两次（双花）啦。

 

自私挖矿通过扣留区块、拖延公布区块的时间并同时出两个区块，获得更高的相对收益，是一种威胁比特币系统安全性和公平性的理论攻击方法。就是偷偷作弊让其他人输掉比赛啦。

 

此外，Eclipse攻击控制目标对象的网络通信，形成网络分区，阻隔交易传播。Sybil攻击通过生产大量无意义的节点影响系统安全性。总之就是，制造各种混乱来扰乱正常秩序啦。

 

2、扩展性，是否支持网络节点扩展，这是区块链设计要考虑的关键因素之一。

 

根据对象不同，扩展性又分为系统成员数量的增加和待确认交易数量的增加两部分。

 

扩展性主要考虑当系统成员数量、待确认交易数量增加时，随之带来的系统负载和网络通信量的变化，通常以网络吞吐量来衡量。

 

比特币的拓展性就不容乐观，由于区块较小，参与交易的人数增多、交易笔数增加后，小区块能够容纳的确认笔数有限，就会造成大量拥挤。

 

3、性能效率，从交易达成共识被记录在区块链中至被最终确认的时间延迟，也可以理解为系统每秒可处理确认的交易数量。

 

与传统第三方支持的交易平台不同，区块链技术通过共识机制达成一致，因此其性能效率问题一直是研究的关注点。比特币系统每秒最多处理7笔交易，远远无法支持现有的业务量。

 

4、资源消耗，在达成共识的过程中，系统所要耗费的计算资源大小，包括CPU、内存等。

 

区块链上的共识机制借助计算资源或者网络通信资源达成共识。以比特币系统为例，基于工作量证明机制的共识需要消耗大量计算资源进行挖矶提供信任证明完成共识。

 

除此之外，大家还没有注意到的是，去中心化作为区块链的最大特性，却在共识机制设计中被一再破坏，典型的就是EOS的DPoS机制使得超级节点掌握了网络控制权。

 

不难发现，效率、安全、拓展性、资源消耗，以及正在慢慢凸显的去中心化等多个方面，正成为好的共识机制重要的参考指标。

 

PART 3：UPoS将三者统一形成完美共识机制

 

目前区块链领域有着上百种共识机制，不同共识机制之间差别较大，都试图解决某个方面的问题，却又在另一些方面存在较大缺陷，而安全性、高性能和去中心化三者兼容的SHD完备性问题则是普遍存在的问题。

 

不信，我们就拿大家最熟知的PoW、PoS、DPoS来看一下。

 

以比特币为代表的PoW（工作量证明）机制，通过矿工竞争挖矿获得激励的一种机制。由于竞争方式单一，其安全性广受好评，早期的去中心化也备受推崇，但能源消耗大备受诟病。

 

以以太坊为代表的即将过度到的PoS（权益证明）机制，则改变规则，通过代币数量和持有市场分配挖矿概率。虽然节约了能源，安全性有保障，提高了效率，但中心化的态势却愈发明显。

 

而以EOS为代表的DPoS（委托权益证明）机制，干脆以投票方式选出超级节点来代理管理记账，效率倒是提高了，资源也节约了，去中心化已然无存。

SHD完备性问题在几个典型的共识机制上全部存在，可以说，三者博弈之后始终无法共存，是不是就没有办法了呢？

 

实际上，ETM的UPoS共识机制，正好解决了三者统一的问题。

 

UPoS机制通过纳什均衡，使矿工、投票者之间相互制衡，均能获得收益的同时又不至于出现寡头。矿工不用竞争挖矿，解决了高消耗的问题；投票人通过投票获得收益但收益有限，解决了中心化的问题；矿工和投票者之间形成多重平衡，使得效率和安全得以兼顾，如此，SHD完备性问题得到完美解决。

 

不得不说，UPoS将安全性、高性能和去中心化三者统一，形成目前为止较为完美的共识机制。

 

参考资料：

简书号“桑榆仁”、火星财经、百度百科“共识机制”