什么是區(qū)塊鏈共識(shí)算法

也許有些標(biāo)題黨，但是我保證文章接下來(lái)的內(nèi)容包含了外行人了解工作量證明（PoW）共識(shí)的一些要點(diǎn)。我們會(huì)解釋區(qū)塊鏈?zhǔn)澜缰胁煌滦退惴ǖ陌l(fā)展，以及為什么共識(shí)算法是區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)中最突出的主題。為什么企業(yè)應(yīng)該在實(shí)施從大量選擇中挑選出來(lái)的區(qū)塊鏈技術(shù)之前先要理解共識(shí)？

這篇文章中，我們首先會(huì)討論最突出的共識(shí)機(jī)制，工作量證明（PoW）。PoW在幾乎所有量產(chǎn)級(jí)別的系統(tǒng)中，例如比特幣和以太坊，都在被使用。

我們會(huì)全方位探討工作量證明（PoW）并且看看它是如何幫助達(dá)成共識(shí)并且避免雙花。讓我們開(kāi)始吧。

尋找小丑魚(yú)Nemo

工作量證明（PoW）需要礦工找到（其實(shí)是計(jì)算）一個(gè)值來(lái)獲得共識(shí)。讓我們稱這個(gè)值為Nemo。

輸入（I）+Nemo（N）=輸出（O）

Nemo，這里我們命名為N。

工作量證明（PoW）機(jī)制中就包括尋找N，當(dāng)N被加入到轉(zhuǎn)賬區(qū)塊上時(shí)（輸入），它就會(huì)產(chǎn)生已知的輸出。

當(dāng)然，輸入除了打包在區(qū)塊鏈中的轉(zhuǎn)賬信息還有其他東西，例如前個(gè)區(qū)塊的哈希值，nonce等。但是我們?cè)谶@里不深入探討這是怎么實(shí)施的。礦工會(huì)基于轉(zhuǎn)賬費(fèi)用選擇輸入中的轉(zhuǎn)賬信息。

輸出是一個(gè)哈希值（擁有部分屬性和前零串等等）。輸出的屬性可以被改變從而增加或者降低網(wǎng)絡(luò)挖礦的難度。挑戰(zhàn)之處在于要在N被添加到輸入并給出輸出的時(shí)候找到（而且快速尋找到，因?yàn)榈V工在競(jìng)爭(zhēng)）。獲得N的值非常難，并且需要計(jì)算機(jī)消耗大量的算力才能得出正確的N。

你也可以說(shuō)礦工的計(jì)算機(jī)做了大量工作得出正確的N。由于這項(xiàng)計(jì)算工作，公有鏈會(huì)在工作量證明（PoW）機(jī)制上進(jìn)行運(yùn)行。

礦工會(huì)被給予一定的獎(jiǎng)勵(lì)或者手續(xù)費(fèi)作為這項(xiàng)工作的補(bǔ)償。

整個(gè)系統(tǒng)在最初就被設(shè)計(jì)成很難計(jì)算獲得N，但是如果給你N和轉(zhuǎn)賬的區(qū)塊，很容易去驗(yàn)證是否（輸入+N）和輸出相等。

一旦礦工成功獲得N，它會(huì)廣播這個(gè)工作量證明（PoW）到全網(wǎng)（為了想要獲得挖礦獎(jiǎng)勵(lì)）。假設(shè)礦工A發(fā)現(xiàn)了Nemo，但是礦工B，礦工C和礦工D仍然在尋找他們的Nemo。他們會(huì)從A處獲得一個(gè)信號(hào)，其中包含一個(gè)有轉(zhuǎn)賬記錄的區(qū)塊和Nemo（N）。礦工B，C，D能夠快速檢查是否可以使用這個(gè)N來(lái)產(chǎn)出O。

如果可以正確地得到輸出，他們能夠?qū)⑦@個(gè)添加到本地的區(qū)塊鏈上（同意A的轉(zhuǎn)賬版本，因此達(dá)到共識(shí)）。

這就在4個(gè)去中心化非信任節(jié)點(diǎn)之間達(dá)成了共識(shí)。同樣的邏輯可以拓展到任何節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

但是關(guān)于雙花呢？

好先生，壞先生和丑先生以及鏈分叉的故事

讓我們來(lái)通過(guò)好先生和壞先生的例子來(lái)理解工作量證明（PoW）。壞先生想買好先生在某個(gè)公司的股份。他們達(dá)成協(xié)議，好先生會(huì)接受比特幣（或者以太坊）支付，并且一旦交易完成，他就會(huì)將股票的電子擁有權(quán)轉(zhuǎn)給壞先生。

壞先生轉(zhuǎn)給了好先生200比特幣，并在這個(gè)過(guò)程中清空了自己的錢包。不為認(rèn)知的是，壞先生轉(zhuǎn)了同樣的200個(gè)比特幣給丑先生，他是壞先生的化名。

現(xiàn)在如果好先生夠聰明地話，他就會(huì)等這次轉(zhuǎn)賬完成并永遠(yuǎn)保存在區(qū)塊鏈上。所以他需要等待在含有他轉(zhuǎn)賬信息的區(qū)塊之后至少12個(gè)區(qū)塊（區(qū)塊數(shù)量隨著現(xiàn)有比特幣網(wǎng)絡(luò)哈希力的變化而變化），才能保證他不會(huì)被鏈重組分叉所影響。在此之后，他可以很放心地將股票轉(zhuǎn)給壞先生。這樣地話，壞先生給丑先生的轉(zhuǎn)賬就會(huì)被網(wǎng)絡(luò)拒絕。

但是在這個(gè)事件中，好先生太單純了。他看到壞先生已經(jīng)轉(zhuǎn)給他所需要的比特幣，就立刻將股份轉(zhuǎn)移給了壞先生。如果壞先生足夠幸運(yùn)地話，他轉(zhuǎn)給丑先生（他自己）的轉(zhuǎn)賬會(huì)被網(wǎng)絡(luò)預(yù)先接受，并且會(huì)永久保存在區(qū)塊鏈上，而他給好先生的轉(zhuǎn)賬會(huì)由于鏈分叉而被拒絕。

事實(shí)上，壞先生沒(méi)有花一分錢，但是卻擁有了好先生的股份。所以他可以將同一筆比特幣花費(fèi)兩次。

比特幣網(wǎng)絡(luò)在盡最大力量來(lái)防止雙花，并且讓用戶知道要等到他們的比特幣轉(zhuǎn)賬足夠的時(shí)間，而且變得不可以逆轉(zhuǎn)了才能在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行支付轉(zhuǎn)移資產(chǎn)。

51%攻擊案例

如果壞先生不想總是依賴運(yùn)氣來(lái)欺騙好先生。他聽(tīng)說(shuō)過(guò)51%攻擊，并且知道任何人擁有網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)的哈希算力，就可以逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)賬或者進(jìn)行雙花。他買了比特幣網(wǎng)絡(luò)51%的算力，現(xiàn)在就可以很輕易地去欺騙好先生或者做其他任何事情。

那么為什么壞先生或者其他人沒(méi)有在做這個(gè)事情呢？

獲得全網(wǎng)51%的算力需要極其高地成本。

你只可以逆轉(zhuǎn)近期的轉(zhuǎn)賬。重新寫(xiě)更早的轉(zhuǎn)賬在計(jì)算量上來(lái)看也會(huì)非常困難，基本上不可能。

一旦網(wǎng)絡(luò)被攻破，那么其貨幣也會(huì)失去價(jià)值。盡管你可以買斷大多數(shù)的哈希力，你也不會(huì)因?yàn)閰⑴c者會(huì)失去對(duì)系統(tǒng)公平的信仰，同時(shí)貨幣價(jià)值也會(huì)大跌。

你可以購(gòu)買51%的網(wǎng)絡(luò)算力，但是這很快就會(huì)顯得毫無(wú)價(jià)值。

希望大家可以看到工作量證明（PoW）背后的智慧，致敬中本聰。

工作量證明（PoW）的替代者

幾乎所有新的著名的區(qū)塊鏈方案都會(huì)提出自己的共識(shí)機(jī)制。以太坊提出了Casper，一種權(quán)益證明（PoS）的算法，Eris使用的是Tendermint算法，超級(jí)賬本則使用PBFT（實(shí)用性拜占庭容錯(cuò)算法），超級(jí)賬本鋸齒湖使用PoET（時(shí)間消失證明）以及SGX（軟件防護(hù)擴(kuò)展指令）以及等等。但是這是為什么呢？

工作量證明（PoW）的缺陷：

1 挖礦需要耗費(fèi)電力以及使用非常昂貴的硬件

2 處理能源中心化的擔(dān)憂，特別是在私有或者聯(lián)盟鏈

3 如果網(wǎng)絡(luò)中只有幾個(gè)已知的成員，那么在私有網(wǎng)絡(luò)中挖礦獲得共識(shí)沒(méi)有意義

4 節(jié)點(diǎn)總是能夠帶來(lái)外部處理能力，反而在私有鏈中會(huì)有更高的價(jià)值轉(zhuǎn)賬。