区块链共识小记

Unknown view 43 2016-9-1 03:34

区块链共识小记 (1)

共识（Consensus）过程是一个非常有趣的过程。

在我们的日常生活中，几乎所有的事情都是达成共识的过程。

达成共识越分散的过程，其效率就越低，但满意度越高，因此也越稳定；相反，达成共识越集中的过程，效率越高，也越容易出现独裁和腐败现象。

达成共识常用的一种方法就是通过物质上的激励以对某个事件达成共识；但是这种共识存在的问题就是容易被外界其它更大的物质激励所破坏。

还有一种就是群体中的个体按照符合自身利益或整个群体利益的方向来对某个事件自发地达成共识；当然形成这种自发式的以维护群体利益为核心的共识过程还是需要时间和环境因素的，但是一旦达成这样的共识趋势，其共识结果也越稳定，越不容易被破坏。

在比特币和其它区块链币中，也存在如何达成共识的问题。或者说，比特币或其它区块链币最核心的问题也是如何在去中心化的环境中达成共识。

区块链是比特币背后的核心技术，也是支撑比特币的基础架构。因此在谈区块链共识，就必然要谈比特币的共识。

比特币最核心的突破是在去中心化的情况下对交易事件达成了共识，即在没有中心组织的情况下对某个交易的有效性达成了一致。

比特币实现这个共识的方法主要包括两个部分：

激励；即通过每个区块产生一定量的新比特币来激励参与者；

引入外部资源确保安全；即通过大量的外部计算来确保共识的安全性，也就是工作量证明（Proof of Power）；

这也是几乎所有PoW币种所采用的的方法。

而这套方法要能持续长期运行下去的前提就是：

这种激励对参与者要有足够的吸引力；也就是说比特币要一直涨价，才能吸引参与者持续参与挖矿计算，以维护整个网络的运行；否则就会导致参与的人减少，破坏网络安全；

没有外部攻击；由于比特币引入了外部计算来确保安全，因此只要有足够的挖矿算力（超过维护系统算力的51%）就能对系统成功进行攻击，这也是比特币长期存在的安全隐患之一；因为只要有钱，就能买到设备和算力。

正是由于比特币存在的问题，例如消耗大量的资源、外部51%攻击等，出现了PoS（Proof of Stake）共识机理。

总体上，PoS共识理论和实践目前仍处在探索阶段。

最原始的PoS机理就是用股权代替PoW中的挖矿算力，来模拟比特币的挖矿过程。请注意，这个过程没有引入外部资源，而是仅仅依靠自身的币种股份来维护网络安全，因此其不需要消耗大量能源来进行计算；而且由于其没有引入外部的资源，因此不会担心外部攻击，例如外界的算力攻击。

看起来PoS是很完美的，但是它存在一个严重漏洞。

PoS存在内部的Nothing-at-Stake攻击。

什么是Nothing-at-Stake（常写作N@S）攻击？

假设系统中出现了两个分支链，那么对于持有币的”挖矿者“来讲，最佳的操作策略就是同时在两个分支上进行“挖矿”，这样，无论哪个分支胜出，对币种持有者来讲，都会获得本属于他的利益，即不会有利益损失。而且由于不需要算力消耗，因此PoS中在两个分支上挖矿是可行的。

这导致的问题是，只要系统存在分叉，“矿工们”都会同时在这几个分支上挖矿；因此在某个情况下，发起攻击的分叉链是极有可能成功的，因为所有人也都在这个分叉链上达成了共识；而且甚至不用持有51%的币量，就可以成功发起分叉攻击；

而这在PoW中是不可行的，因为挖矿需要消耗算力，矿工只能在一个分支上进行挖矿。

第二个问题是重写历史攻击；即攻击者可以通过购买原始持有币种的账户来从头发起攻击，重新分叉一个区块链。因为原始的币种持有者可以将币转移至其它账户，因此他是可以在没有损失的情况下将原始账户出售给攻击者的。攻击者需要的就是有足够数量币的原始账户；当然了，这也只是概率问题，因为有可能原始账户持有者不会出售他们的账户，但是理论上确实存在这种攻击。

第三个问题是，尽管PoS中的挖矿不用消耗算力，运行成本很低，但是也存在如何激励矿工的问题。因为一般的PoS系统是没有新币产生的，矿工只能赚取交易费，而且在交易费不高的情况下，对矿工的激励也是很有限的。

当然了，也有很多PoS币种解决这个问题的办法就是持续的再产生新币来激励挖矿者，这导致的问题就是通胀。

上述3个问题是PoS要解决的，尤其是N@S的问题尤为重要，因为如果没有其它约束机制，这种攻击是完全有可能实现的。

从以上可以看出，无论是PoW还是PoS机理的共识过程，其必要条件有两个：

信息公开共享；

个体参与；

以现实为例，事件的信息越透明、所涉及到的人员参与度越高，最终形成的共识也就越稳定、越持久。这与区块链共识是一致的。

以上是个人的对区块链共识的一些学习心得，期望能看到更多这方面的讨论和研究文章，与爱好者一起分享。

【参考阅读】

分布式共识

PoW vs PoS共识讨论

PoS共识机理研究