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  • 区块链共识机制介绍及几种常见共识的优缺点
    2021-12-23 14:55:47

    共识机制简介

    关注区块链项目的朋友们大多都听说过共识机制,也可能知道共识机制是区块链网络用来达成交易确认共识的协议。其实,共识机制的产生远远早于区块链,而其设计之初也并不是为了解决区块链上的问题,毕竟区块链的出现,那是要等到20年以后了。

    在1988年,Lynch, Dwork和Stockmeyer就提出并证明了在部分同步的系统中共识机制的可能性。随后在1989年,第一个共识机制Paxos在1989年被提出,随后又有诸如Cheap Paxos, Fast Paxos, Raft, Chandra-Toueg, Ark, PBFT, RBFT, 之后随着加密货币的兴起,新的共识机制被提出,如POW, POS, Proof of Space, Proof of Weight, PoET, dPOS, DAG, Plenum等等。

    这些不同的共识机制解决了不同的问题,不能说某一种共识机制就一定好于其他的,有的共识机制简单易懂,但速度太慢太耗资源;有的速度快,但扩展性差;有的扩展性强,速度也快,但却不够安全。总之,在不同的应用场景下,我们应该选择最合适的共识机制。

    共识机制的定义是“The process of agreeing on one results among a group of participants”, 意思就是使得多个参与者同意一个结果的过程就叫做共识机制。

    我们用一个“杀猪问题”来举例说明,假设李家村有3户人,分别是李二蛋,李铁锤,李三娃。今年春节李家村要杀一头猪过年,大家得商量一下杀哪家的猪,杀了猪怎么分,怎么补偿被杀猪的人家。那这个过程就叫做李家村的共识机制。

    那有人会说那这事儿不简单吗,把大伙聚拢,看看谁家猪长得最好就杀哪家,没啥问题啊。确实,如果李家村大伙儿住的近,各个心地善良、从不撒谎的情况下,那杀猪问题很容易就解决了。但如果说李二蛋住村西,李铁锤住村东,李三娃住村北,也没有好的交通工具,也没有手机网络,那就不太容易达成共识了。再进一步说,如果说村子还来了一户人家叫李大狗,这家人虽然也养了猪但是不想杀自家的猪,所以在沟通的时候会撒谎,那这共识就太不容易达成了。

    共识机制分类

    我们将共识算法通过共识的实现分为两个大类,一类是“抽彩票中奖”共识算法,代表算法有POW, PoET, 这类算法好处在于特别能scale,因为达到共识只需要等待一个通过算法“抽中彩票”的节点出现就好了。同时这类算法也有fork的问题,也就是说如果多个节点同时抽中了“彩票”,会导致网络需要花时间来resolve fork,也就导致了用户需要等待确认,交易时间过长等问题。另外,抽彩票本身是要消耗资源的,而随着全网规模的提升,资源的消耗会越来越大。

    另一类是“投票表决”共识算法,代表算法有PBFT, dPOS, Paxos等,这类算法的好处在于交易能被快速确认,但大多数算法因为需要网络中节点互相交换信息,会导致速度不够,扩展性不强等问题。具体来说,这类算法最终产生区块的只会有一个节点,所以一般不会出现fork的问题,与此对应的是,这类算法需要有机制来决定哪一个节点来产生区块。一般来说,每一次产生区块之后,下一次产生区块的节点都会不同。

    除了根据共识的实现来分类,我们还可以通过对共识机制是否是拜占庭容错来进行分类。像最早的Paxos、Raft和以这两种机制为核心的Kafka等, 都不是拜占庭容错。而像PBFT,dPOS, Tendermint等,都是拜占庭容错。

    拜占庭容错

    简单来说,一个计算机系统里除了能够容忍出现节点直接崩溃的问题,还能容忍一切其他问题(如被黑客入侵,故意不响应,电压波动导致信息错误等等),那我们就称这个系统为拜占庭容错系统。 这里我们引用维基百科来解释一下什么是拜占庭容错问题。

    “一组拜占庭将军分别各率领一支军队共同围困一座城市。为了简化问题,将各支军队的行动策略限定为进攻或撤离两种。因为部分军队进攻部分军队撤离可能会造成灾难性后果,因此各位将军必须通过投票来达成一致策略,即所有军队一起进攻或所有军队一起撤离。因为各位将军分处城市不同方向,他们只能通过信使互相联系。在投票过程中每位将军都将自己投票给进攻还是撤退的信息通过信使分别通知其他所有将军,这样一来每位将军根据自己的投票和其他所有将军送来的信息就可以知道共同的投票结果而决定行动策略。”
    “系统的问题在于,将军中可能出现叛徒,他们不仅可能向较为糟糕的策略投票,还可能选择性地发送投票信息。假设有9位将军投票,其中1名叛徒。8名忠诚的将军中出现了4人投进攻,4人投撤离的情况。这时候叛徒可能故意给4名投进攻的将领送信表示投票进攻,而给4名投撤离的将领送信表示投撤离。这样一来在4名投进攻的将领看来,投票结果是5人投进攻,从而发起进攻;而在4名投撤离的将军看来则是5人投撤离。这样各支军队的一致协同就遭到了破坏。
    由于将军之间需要通过信使通讯,叛变将军可能通过伪造信件来以其他将军的身份发送假投票。而即使在保证所有将军忠诚的情况下,也不能排除信使被敌人截杀,甚至被敌人间谍替换等情况。因此很难通过保证人员可靠性及通讯可靠性来解决问题。
    假始那些忠诚(或是没有出错)的将军仍然能通过多数决定来决定他们的战略,便称达到了拜占庭容错。在此,票都会有一个预设值,若讯息(票)没有被收到,则使用此预设值来投票。
    上述的故事对映到计算机系统里,将军便成了计算机,而信差就是通讯系统 。虽然上述的问题涉及了电子化的决策支援与资讯安全,却没办法单纯的用密码学与数字签名来解决。因为不正常的电压仍可能影响整个加密过程,这不是密码学与数字签名算法在解决的问题。因此计算机就有可能将错误的结果送出去,亦可能导致错误的决策。”

    了解了什么是拜占庭问题,我们今天从几个比较有名的共识机制入手,用我们之前的“杀猪问题”来了解一下各个共识机制的分类以及各自的优缺点,分别是:Proof of Work, Delegated Proof of Stake, PBFT。

    Proof of Work

    分类:“抽彩票中奖类”

    应用:Bitcoin 及其衍生币

    原理:李家村人根据去年哪天杀的猪,杀的猪有多重,杀了之后怎么分等信息,拿出算盘开始算一个符合特殊要求的良辰吉日,谁先算出来,今年杀猪谁就说了算,同时,也会分到一笔帮忙算日子的奖金。也就是说,算出良辰吉日的人有了这一年的“杀猪权”。

    优点:去中心化,网络安全。

    缺点: 随着李家村人口壮大,大家都买了高级计算器,李二蛋发现每次算出来一个良辰吉日的时候,李铁锤也算出来了符合要求的良辰吉日,这样李家村就有多个人来决定谁杀猪,这就导致了“分叉”,也就是村里人意见不合了。为了解决意见不合的问题,李二蛋只有把他的猪先留着,等着下一次杀猪的时候,如果这一次是李三娃算出了一个良辰吉日,而且李三娃同意前一年的“杀猪权”是李二蛋的,那么这时候全村人才一致同意前一年的“杀猪权”是李二蛋的。也就是说,在POW中,随着全网算力的提升,矿工需要长时间的等待才能确认自己挖出来的区块得到了全网的认可,而用户也需要长时间的等待才能得到交易的确认。

    Delegated Proof of Stake

    分类: “投票表决类”

    应用: EOS, Bitshares, Steemit

    原理: 李家村人口大增,现在有1000户人家了,村里人算了一笔账,与其让大家都去买计算器来算良辰吉日,不如把钱省下来,成立一个10人村委会,让村委会的人决定怎么杀猪。村委会怎么选,还是得民主投票选举,谁家猪多,那票权也多,猪少,那票权也少。于是李家村选出来10个得票最多的人作为村委会代表,他们轮流拥有“杀猪权”。当然,如果其中有代表不诚实,杀了猪全分给自己的话,那肯定会被村民们投票取消委员资格,并且失去了在村民中的声望。

    优点:因为村委会永远就10个人,所以村子人再多也可以快速的决定杀猪权。

    缺点:DPOS依赖村委会代表之间要有非常顺畅的沟通(synchronous network),而这一点不一定能永远满足,特别在新的代表顶替旧代表的时候。另外,村委会代表在不诚实的时候除了声望的损失并没有实际的损失,降低了不诚实的成本。同时,在选举村委会的时候,DPOS要求村民们对代表们的能力和人品有清晰的了解,这一点也是很难达到的。再者,如果村子的规模扩大到了一定程度,大家对于选举村委会的热情是无法保障的,因为此时每一票能起到的选举作用会越来越小,导致选举权小的村民要么对于选举不关心,要么将选举权交给别人(交易所)来实行,也就会导致部分中心化的问题。

    PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerant)

    分类: “投票表决类”

    应用: Tendermint Consensus, U-network, Hyperledger Indy

    原理: 李家村人觉得,与其投票给别人来帮我们做决定,还不如自己来做这个决定。于是,李家村人自己搞了一套无线电技术,每一年通过无线电对话让村里人都轮流拥有“杀猪权”。举个例子,按照规定(deterministic weighted round-robin),李二蛋家今年有“杀猪权”,该来决定怎么杀猪了,于是李二蛋开始在无线电里广播了:“今年我提议,李三娃家杀猪!” 广播之后,李二蛋开始等待大家的回应,如果有2/3 的人都回复“收到”,那说明村里大多数人都知道了这件事,李二蛋于是可以再次广播“李三娃,你可以杀猪了”,于是,收到两条信息以及2/3 回复的李三娃就把猪给杀了,村里的所有人也都在自己的账本上记了一笔。如果说李二蛋的提议没有收到2/3 的回复,那么说明要么无线电被干扰了,要么说明大家不太同意让李三娃家杀猪,于是根据规定,这一次李铁锤拥有了杀猪权,可以广播他的提议了。

    优点:完全去中心化,能够容忍各种各样的信息错误,保证账本的一致性。

    缺点:随着村子的规模增大,无线电的信号减弱,每一次需要决定“杀猪权”的时间越来越长,因为总有人收不到信息,或者因为干扰收到了错误的信息。这就导致了整个网络无法规模化,这也是PBFT算法最大的问题。


    共识机制只是一部分

    虽然我们用比较通俗的语言描述了共识机制的运作方式,但实际上要完成一个共识机制是一个比较复杂的过程,首先需要结合实际应用场景来判断最适合的共识机制,其次在共识机制的实现上也需要诸多考量和trade off。比如同样是拜占庭容错算法,PBFT和DBFT就有很大的不同,一个没有delegate的概念而另外一个通过选出delegate来实现scalability上的提升。

    同时需要指出的是,因为区块链到如今也还处在一个非常早期的阶段,各个团队都在寻找以及尝试最好的技术、应用解决方案,所以我们不乏看到各个团队在宣传各自的底层技术的时候,有着过于夸大所用技术的覆盖范围之嫌。同时,共识机制在区块链技术中虽然是相当重要的一环,还有其他的部分也占有相当的比重,如智能合约、隐私控制等等。

    区块链的结局一定不会以一个、甚至一种技术为主导,而应该是将每种合适的区块链技术用在提升效率、安全的社会各行各业里。而在这样的过程中,对于组织乃至个人通过各种手段而获得了在新时代里更多的资源分配权,我们不应该感到意外。

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    一、应用场景:信息共享

    这应该是区块链最简单的应用场景,就是信息互通有无。

    1、传统的信息共享的痛点

    要么是统一由一个中心进行信息发布和分发,要么是彼此之间定时批量对账(典型的每天一次),对于有时效性要求的信息共享,难以达到实时共享。

    信息共享的双方缺少一种相互信任的通信方式,难以确定收到的信息是否是对方发送的。

    2、区块链 + 信息共享

    首先,区块链本身就是需要保持各个节点的数据一致性的,可以说是自带信息共享功能;其次,实时的问题通过区块链的P2P技术可以实现;最后,利用区块链的不可篡改和共识机制,可构建其一条安全可靠的信息共享通道。

    也行你会有这样的疑问:解决上面的问题,不用区块链技术,我自己建个加密通道也可以搞定啊!但我想说,既然区块链技术能够解决这些问题,并且增加节点非常方便,在你没有已经建好一套安全可靠的信息共享系统之前,为什么不用区块链技术呢?

    3、应用案例

    举下我们腾讯自己的应用--公益寻人链,借用如下一张好图,可以看到,区块链在信息共享中发挥的价值。

    浅谈区块链的七大应用场景

    二、应用场景:版权保护

    1、传统鉴证证明的痛点

    流程复杂:以版权保护为例,现有鉴证证明方式,登记时间长,且费用高。

    公信力不足:以法务存证为例,个人或中心化的机构存在篡改数据的可能,公信力难以得到保证。

    2、区块链 + 鉴证证明

    流程简化:区块链应用到鉴证证明后,无论是登记还是查询都非常方便,无需再奔走于各个部门之间。

    安全可靠:区块链的去中心化存储,保证没有一家机构可以任意篡改数据。

    3、应用案例

    区块链在鉴权证明领域的应用有版权保护、法务存证等,下面以版权保护为例,简单说下如何区块链如何实现版权登记和查询。

    (1)电子身份证:将“申请人+发布时间+发布内容”等版权信息加密后上传,版权信息用于唯一区块链ID,相当拥有了一张电子身份证。

    (2)时间戳保护:版权信息存储时,是加上时间戳信息的,如右雷同,可用于证明先后。

    (3)可靠性保证:区块链的去中心化存储、私钥签名、不可篡改的特性提升了鉴权信息的可靠性。

    2016年8月,由Onchain、微软(中国)、法大大等多个机构在北京成立了电子存证区块链联盟“法链”。

    2017年12月,微众银行、仲裁委(广州仲裁委)、杭州亦笔科技有限公司共同推出的仲裁联盟链,用于司法场景下的存证;2018年3月,广州首个“仲裁链”判决书出炉。

    三、应用场景:物流链

    浅谈区块链的七大应用场景

    商品从生产商到消费者手中,需要经历多个环节(流程可能如上图所示),跨境购物则更加复杂;中间环节经常出问题,消费者很容易购买的假货。而假货问题正是困扰着各大商家和平台,至今无解。

    1、传统是防伪溯源手段

    以一直受假冒伪劣产品困扰的茅台酒的防伪技术为例,2000年起,其酒盖里有一个唯一的RFID标签,可通过手机等设备以NFC方式读出,然后通过茅台的APP进行校验,以此防止伪造产品。 咋一看,这种防伪效果非常可靠。但2016年还是引爆了茅台酒防伪造假,虽然通过NFC方式验证OK,但经茅台专业人士鉴定为假酒。后来,在“国酒茅台防伪溯源系统”数据库审计中发现80万条假的防伪标签记录,系防伪技术公司人员参与伪造;随后,茅台改用安全芯片防伪标签。

    但这里暴露出来的痛点并没有解决,即防伪信息掌握在某个中心机构中,有权限的人可以任意修改。(备注:茅台的这种防伪方式,也衍生了旧瓶回收,旧瓶装假酒的产业,防伪道路任重而道远)。

    2017年05月贵阳数博会上,小马哥就建议茅台防伪使用区块链;那么区块链和物流链的结合有什么优势呢?

    2、区块链+物流链

    区块链没有中心化节点,各节点是平等的,掌握单个节点无法实现修改数据;需要掌控足够多的节点,才可能伪造数据,大大提高伪造数据的成本。

    区块链天生的开放、透明,使得任何人都可以公开查询,伪造数据被发现的概率大增。

    区块链的数据不可篡改性,也保证了已销售出去的产品信息已永久记录,无法通过简单复制防伪信息蒙混过关,实现二次销售。

    物流链的所有节点上区块链后,商品从生产商到消费者手里都有迹可循,形成完整链条;商品缺失的环节越多,将暴露出其是伪劣产品概率更大。

    3、应用案例

    目前,入局物流链的玩家较多,包括腾讯、阿里、京东、沃尔玛等。 据说,阿里的菜鸟在海淘进口应用区块链上,走在了前面,已经初步实现海外商品溯源,国际物流及进口申报溯源、境内物流溯源;下一步就是生产企业溯源了。下图是网上流传的关于阿里的菜鸟在海淘场景运用区块链的示意图。

    浅谈区块链的七大应用场景

    另据最新消息,在3月份的第三届全球物流技术大会上,腾讯与中国物流与采购联合会(简称“中物联”)正式签署战略合作协议,并发布了区块链物流平台。强强联合,想象空间很大。

    四、应用场景:供应链金融

    1、传统的供应链单点融资

    在一般供应链贸易中,从原材料的采购、加工、组装到销售的各企业间都涉及到资金的支出和收入,而企业的资金支出和收入是有时间差的,这就形成了资金缺口,多数需要进行融资生产。我们先来看个简单的供应链(复杂的我也不了解(⊙o⊙)),如下图:

    浅谈区块链的七大应用场景

    我们再来看看图中各个角色的融资情况:

    核心企业或大企业:规模大、信用好,议价能力强,通过先拿货后付款,延长账期将资金压力传导给后续供应商;此外,其融资能力也是最强的。

    一级供应商:通过核心企业的债权转让,可以获得银行的融资。

    其他供应商(多数是中小微企业):规模小、发展不稳定、信用低,风险高,难以获得银行的贷款;也无法想核心企业一样有很长的账期;一般越小的企业其账期越短,微小企业还需要现金拿货。这样一出一入对比就像是:中小微企业无息借钱给大企业做生意。

    2、区块链+供应链金融

    面对,上述供应链里的中小微企业融资难问题,主要原因是银行和中小企业之间缺乏一个有效的信任机制。

    假如供应链所有节点上链后,通过区块链的私钥签名技术,保证了核心企业等的数据可靠性;而合同、票据等上链,是对资产的数字化,便于流通,实现了价值传递。

    浅谈区块链的七大应用场景

    如上图所示,在区块链解决了数据可靠性和价值流通后,银行等金融机构面对中小企业的融资,不再是对这个企业进行单独评估;而是站在整个供应链的顶端,通过信任核心企业的付款意愿,对链条上的票据、合同等交易信息进行全方位分析和评估。即借助核心企业的信用实力以及可靠的交易链条,为中小微企业融资背书,实现从单环节融资到全链条融资的跨越,从而缓解中小微企业融资难问题。

    3、应用案例

    比较成熟的还没看到,目前腾讯也已入局。

    五、应用场景:跨境支付

    1、传统跨境支付

    浅谈区块链的七大应用场景

    跨境支付涉及多种币种,存在汇率问题,传统跨境支付非常依赖于第三方机构,大致的简化模型如上图所示,存在着两个问题;

    流程繁琐,结算周期长:传统跨境支付基本都是非实时的,银行日终进行交易的批量处理,通常一笔交易需要24小时以上才能完成;某些银行的跨境支付看起来是实时的,但实际上,是收款银行基于汇款银行的信用做了一定额度的垫付,在日终再进行资金清算和对账,业务处理速度慢。

    手续费高:传统跨境支付模式存在大量人工对账操作,加之依赖第三方机构,导致手续费居高不下,麦肯锡《2016全球支付》报告数据显示,通过代理行模式完成一笔跨境支付的平均成本在25美元到35美元之间。

    2、区块链+跨境支付

    这些问题的存在,很大原因还是信息不对称,没有建立有效的信任机制。

    浅谈区块链的七大应用场景

    如上图所示,区块链的引入,解决了跨境支付信息不对称的问题,并建立起一定程度的信任机制;带来了两个好处。

    效率提高,费用降低:接入区块链技术后,通过公私钥技术,保证数据的可靠性,再通过加密技术和去中心,达到数据不可篡改的目的,最后,通过P2P技术,实现点对点的结算;去除了传统中心转发,提高了效率,降低了成本(也展望了普及跨境小额支付的可能性)。

    可追溯,符合监管需求:传统的点对点结算不能不规模应用,除了信任问题,还有就是存在监管漏洞(点对点私下交易,存在洗黑钱的风险),而区块链的交易透明,信息公开,交易记录永久保存实现了可追溯,符合监管的需求。

    3、应用案例

    应用现状:Ripple、Circle、招商银行等已经入局。

    六、应用场景:资产数字化

    1、实体资产存在的问题

    实体资产往往难以分割,不便于流通

    实体资产的流通难以监控,存在洗黑钱等风险

    2、区块链实现资产数字化

    资产数字化后,易于分割、流通方便,交易成本低

    用区块链技术实现资产数字化后,所有资产交易记录公开、透明、永久存储、可追溯,完全符合监管需求

    3、应用案例

    还是以腾讯的微黄金应用为例,继续借用腾讯区块链官网(trustsql.qq.com)上的图片,可以看到,在资产数字化之后,流通更为方便了,不再依赖于发行机构;且购买0.001g黄金成为了可能,降低了参与门槛。

    浅谈区块链的七大应用场景

    七、应用场景:代币

    本来不像把代币加进来的,但说到区块链,始终绕不开代币;因区块链脱胎于比特币,天生具有代币的属性,目前区块链最成功的应用也正是比特币

    1、传统货币存在的问题

    传统的货币发行权掌握在国家手中,存在着货币滥发的风险

    元朝自1271年建立后,依然四处征战,消耗大量的钱财和粮食,为了财政问题,长期滥发货币,造成严重通货膨胀,多数百姓生活在水生火热中,导致流民四起,国家大乱,1368年,不可一世的元朝成了只有97年短命鬼,走向了灭亡。

    1980年津巴布韦独立,后因土改失败,经济崩溃,政府入不敷出,开始印钞;2001年时100津巴布韦币可兑换约1美元;2009年1月,津央行发行100万亿面值新津元(如下图)加速货币崩溃,最终津元被废弃,改用“美元化”货币政策。2017年津巴布韦发生政变,总统穆加贝被赶下台。

    浅谈区块链的七大应用场景

    传统的记账权掌握在一个中心化的中介机构手中,存在中介系统瘫痪、中介违约、中介欺瞒、甚至是中介耍赖等风险。

    2013年3月,塞浦路斯为获得救助,对银行储户进行一次性征税约58亿欧元, 向不低于10万欧元的存款一次性征税9.9%,向低于10万欧元的一次性征税6.75%。

    2017年4月,民生银行30亿假理财事件暴露,系一支行行长伪造保本保息理财产品所致,超过150名投资者被套。

    2、区块链如何解决这些问题

    浅谈区块链的七大应用场景

    比特币解决了货币在发行和记账环节的信任问题,我们来看下比特币是如何一一破解上面的两个问题。

    滥发问题:比特币的获取只能通过挖矿获得,且比特币总量为2100万个,在发行环节解决了货币滥发的问题; 账本修改问题:比特币的交易记录通过链式存储和去中心化的全球节点构成网络来解决账本修改问题。

    链式存储可以简单理解为:存储记录的块是一块连着一块的,形成一个链条;除第一个块的所有区块都的记录包含了前一区块的校验信息,改变任一区块的信息,都将导致后续区块校验出错。因为这种关联性,中间也无法插入其他块,所以修改已有记录是困难的。

    而去中心化节点可以简单理解为:全球的中心节点都是平等的,都拥有一模一样的账本,所以,任一节点出问题都不影响账本记录。而要修改账本,必须修改超过全球一半的节点才能完成;而这在目前看来几乎不可能。 既然账本无法修改,那要是记账的时候作弊呢? 首先,比特币的每条交易记录是有私钥签名的,别人伪造不了这个记录。你能修改的仅仅自己发起的交易记录。

    其次,是关于记账权问题:比特币的记账权,通过工作量证明获得,可以简单理解为:通过算法确定同一时刻,全球只有一个节点获得了记账权,基本规律是谁拥有的计算资源越多,谁获得记账权的概率越大,只有超过全网一半的算力,才可能实现双花。

    备注:比特币的模式是不可复制的,比特币已经吸引了全球绝大多数的算力,从而降低51%攻击发生等问题;其他的复制品基本无法获得相应的算力保证。

    目前,比特币还存在着51%和效率低等问题有待解决,另外,关于交易本身的信任问题是个社会问题,比特币是没有解决的,也解决不了的。

    3、应用案例

    最具代表性的当然是比特币,也不用多说了。

    备注:代币这块真的不看好,比特币目前吸引了全球绝大部分的算力,有独一无二的算力资源作为支撑还稍好一点,其他的代币和传统的货币相比,其背后缺乏国家和武力为其做信用背书,且夺取了国家发币带来的各种好处(如宏观调控),仔细想想就知道有多不靠谱。

    浅谈区块链的七大应用场景

    结论

    区块链应用的场景肯定还有很多,但很多都还不大明朗,暂时就先梳理以上7种场景,顺便归纳一下。

    浅谈区块链的七大应用场景

    区块链这么火,但实际应用的案例却少之又少;我认为,并非区块链技术目前存在的问题阻碍了其大范围的应用,也不是区块链可以应用的场景非常少,区块链商用牵扯到各方的利益,其最大的难题可能远在技术之外。

    展开全文
  • 作者:Ann.OG ...中心化的共识 VS 去中心化的共识 中心化的共识:少数人决定大方向 优缺点:高效、但由于高度集权,容易导致权利的泛滥,且易被但单点爆破。 去中心化的共识:大多数人共同参与决策 优缺点:...

    作者:Annchain
    该文章由annchain团队原创首发,未经允许不得转载,否则将追究法律责任

    生活中的共识:

    我们是如何达成共识的:
    提出议案——消除分歧——统一认识
    e.g. 今天中午吃什么、家庭决策、总统选举

    中心化的共识 VS 去中心化的共识

    中心化的共识:少数人决定大方向
    优缺点:高效、但由于高度集权,容易导致权利的泛滥,且易被但单点爆破。
    去中心化的共识:大多数人共同参与决策
    优缺点:权利分散,不容易作恶,但是效率很低

    区块链共识:

    在这里插入图片描述

    举个栗子,

    在区块链的世界里,假设在某一时间点,ABCD四人拥有一致的账本。这时,B发起一笔向C转账10元的交易。这笔由B发起的交易会被B广播给网络中的其他人。

    但此时,ACD三人在收到这笔交易后并不会马上写入各自的账本。因为如果各人都只管自己记账,那么就没法保证所有人的账本保持一致。

    在这里插入图片描述

    为了达成账本的顺序一致,就需要一个人来确认这个交易顺序并告知大家,这样的人就被称作 Miner (矿工)。
    Miner 在记账过程中需要做两件事:

    1. 校验收到的交易的合法性
    2. 付出大量的算力来计算找到“数值”值,使得 B 到 C 转账的这笔交易可以写入账本中。

    Miner 将找到的值广播给全网。B 和 C 收到这个广播后验证这个数值是否可行。验证通过后将这笔交易记录在自己的账本上。同样作为 Miner 的 A 在收到这个广播后,意识到已经有人找到这个“数值”了,那么自己继续找下去也不会成为第一个,也就没法得到奖励了。所以他会选择接受并通过这个广播并马上开始争取下一轮的算力竞赛。

    在这里插入图片描述

    以上这些过程走完之后,ABCD 就都完成了对 B → C 这笔交易的记录。

    上述的整个流程让全网的参与人都保持了自己本地账本的同步。这种同步的机制我们便称之为共识。这种矿工参与的挖矿的共识方式我们称作工作量证明(Proof of Work)。
    在这里插入图片描述

    共识的演进

    除了工作量证明,最近几年还演进出了一些其他的共识方式。比如通过权益分配权利权重的权益证明(Proof of Stake),通过持有的权益进行投票选出代表进行决策的代理权益证明(Delegated Proof of Stake),具有1/3容错性的拜占庭容错算法等。有兴趣的可以去查阅资料了解下。

    共识之不可能三角

    现有公链架构在性能上,一般只能满足以下三者中的两个:去中心化、安全性、可扩展性

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    停下脚步反思一下,我们想要让全网的分布式账本统一,为此我们选择让一个人出块,然后全网都得听他的。在选出这个唯一的出块人之后,我们却被这个“人”所限制住了。

    Annchain在共识上的研究和突破

    如果不选这个“人”、不争夺出块权、不用区块会怎样?

    Annchain技术团队正在寻找一种乱中有序的办法。

    基于DAG(有向无环图),Annchain重新定义了各个节点的交易结构。
    在Annchain的网络中,每笔交易依赖于前一笔交易,除了这样一个链状结构之外,我们还允许交易进行一个并发的广播。这样一来,一个交易很可能会被多个交易进行跟随,慢慢地形成一个不存在回路、却有方向的结构,即上文提到的DAG。

    在这个结构中,

    交易即验证:发送自己的交易前,需要验证两笔其它最新的未被验证的交易。验证完成之后,将自己链接到前置交易后面去一起广播。

    交易即出块:一笔交易就是一个区块,产生每一笔交易都产生一个块,区块之间互相没有依赖关系。

    交易即确认:交易一旦被足够的其他交易跟随,该交易即得到事实上的认可。

    交易即共识:可以达成异步的共识,所有节点对于图的认知最终会逐渐走向一致。

    这样做突破了区块链的架构桎梏,使得Annchain具有高扩展性,支持异步通讯,同时降低了交易成本。Annchain性能提高的背后,对接入物联网等区块链落地应用更加环境友好,未来大规模的区块链落地运用,需要一个更轻更快的整体架构。

    Annchain众安链)是由众安科技和众安-复旦区块链与信息安全联合实验室自主研发,国内首个基于DAG架构并支持智能合约的高性能通用区块链平台。作为工信部指导的中国区块链技术和产业发展论坛两大开源项目之一,Annchain立足于中国,致力于助力中国抢占区块链全球话语权。

    Annchain专注于易用、高效、安全和隐私等关键特性,兼具模块化和高度可定制的特点。目前已在数十家生态伙伴的商业场景中落地,场景涵盖农业溯源、珠宝溯源、资产通证化、公益、医疗数据共享、广告分发平台等。开发者可基于Annchain高效构建适合自身的区块链应用,期待更多伙伴加入我们一起探索新应用。

    众安科技

    众安信息技术服务有限公司(简称“众安科技”)成立于2016年11月2日,是由蚂蚁金服、腾讯、中国平安发起设立的众安保险旗下的全资科技子公司,专注于区块链、人工智能、密码学、物联网等前沿技术研究。众安科技汇聚了行业内的顶尖科研人才,其中区块链团队规模近200人,多数来自于各顶尖区块链团队。

    众安-复旦区块链与信息安全联合实验室

    众安-复旦区块链与信息安全联合实验室是国内首个高校与企业联合组建的专一区块链实验室,专注于区块链相关技术的底层理论研究。同时,实验室联合复旦大学、上海众人信息技术有限公司成立了上海区块链工程研究中心。中心伴随构建长效的产学研用合作机制的同时,支撑开展增强的密码学能力,高性能区块链(如Annchain)等,为行业提供示范。

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  • 换言之,区块链可以被看作是一种使用已有技术的创新性整合应用。 我们可以认为智能合约是区块链原创的,但其实智能合约概念早在1995年就由Nick Szabo首次提出了,只不过到区块链才真正实现。 有人说区块链有四大...

          通过前面的学习我们知道,区块链技术是一些技术的精妙组合。换言之,区块链可以被看作是一种使用已有技术的创新性整合应用。

    我们可以认为智能合约是区块链原创的,但其实智能合约概念早在1995年就由Nick Szabo首次提出了,只不过到区块链才真正实现。

           有人说区块链有四大核心技术,分别是:分布式存储,共识机制,智能合约和密码学。还有一种说法,区块链有八大核心技术:区块+链,

    Hash函数,共识机制,智能合约,P2P,Merkle树,加密算法,发行和激励机制。

         无论是哪一种说法,业界公认共识机制是区块链的核心技术,是区块链的技术基石。区块链是一个分布式账本,其显著特征是去中心化。

    (注意:有些区块链系统是弱中心化,就是有弱中心结点。)区块链的去中心化就是靠共识机制来实现的。

          密码学是区块链的骨架,而共识机制是区块链的灵魂。可以毫不夸张的讲,学习区块链就必须掌握共识机制。

        简单一点说:在数据处理和统筹结点时,都需要共识机制来保障系统的正确运行。


       共识机制解决了如下问题:

             1.维护系统的运作顺序与公平性

             2.通过奖惩维护系统的稳定运行

     

    下面,我们就从零开始,来学习区块链的共识机制。

    我们通过回答以下问题,来从浅入深地了解共识机制的本质和原理。

    1.什么是共识?

    2.为什么区块链系统需要共识?

    3.由谁来达成共识?

    4.什么时候需要共识?

    5.什么是共识机制?它和共识算法有什么区别和联系?

    6.如何达成共识?

    7.有哪些主要的共识机制?

    8.共识机制如何分类?

    9.各种共识机制的对比与评价

    10.区块链开发者如何选择共识机制?

     我们逐一寻找这些问题的答案。

         1. 什么是共识?

             一般来说,所谓共识就是一个问题或一件事务的所有或者大多数参与者达成的统一意见与看法。  比如一个公司召集董事开董事会,某个提案通过了,叫达成共识。

    如果意见不统一,对某提案的投票没有超过一定数量,无法通过某个提案,这就叫无法达成共识。国家与国家之间就某个问题进行的双边谈判也一样,可能形成共识,也

    可能无法达成共识。

         有一种对共识的误解,就是认为共识等同于"同意","肯定"。这样理解是错误的,不准确的。对某事务形成统一意见就叫达成共识,比如对某一提案,所有人都说Yes,这是

    达成共识,所有人都说No, 这也叫“达成共识”。  大多数情况下,达成共识不需要所有参与方都统一意见,往往是大多数(达到一定比例)参与者意见一致就认为达成共识了。

    这个比例不是统一的也不是固定的。

    2.为什么区块链系统需要共识

        为什么分布式区块链系统需要共识机制,而传统的C/S或B/S架构的中心服务器系统不需要共识机制?这就好比现实世界中,如果一个组织有一个最高领导人,那么一切的决策

    由这个最高领导者决定,下属去执行就可以了,这个时候是最容易达成共识的,因为领导的决策就是共识。把中心服务器安装在机房的那种传统的软件系统,数据增删改查由系统

    管理员和超级用户决定,普通用户基本上无权决定什么,也就不需要共识机制了。

       但是,在区块链这种分布式系统中,所有结点都是平等的,都有话语权。例如,在需要WaKuang的区块链中,任何一个矿工结点都有权打包发布一个区块,那么问题就来了,该把打包

    权授予给谁?究竟系统认为谁挖出的区块是合法的?哪个矿工可以得到奖励?Alice转给Bob的某笔交易是否是合法有效的?这些都需要参与运行的结点之间达成共识。否则,

    各执一词,就会争执不休,系统就没办法正常工作了。

    3.由谁来达成共识

       前面我们举了几个例子,都是参与会谈的人或者组织机构达成共识。我们可能会看到这样的描述:......Kuang工之间需要达成共识....。其实,在区块链系统里面,通过共识机制,让所有结点

    通过算法达成共识,而不是参与区块链的人之间达成“共识”。这就通过机制保证了共识的真实姓。注意:是由机器(结点)达成共识,不是人达成共识。

    4.什么时候需要共识?

        

    • Kuang工打包记账的时候
    • 分叉的时候
    • 奖励 惩罚的时候
    • 总之:任何改变区块链状态的时候都需要共识

    5.什么是共识机制?它和共识算法有什么区别和联系

        区块链中的共识机制是所有结点都必须遵守的规则,就好像现实世界的“法律”。如果还不能理解,就把区块链中的共识机制和网络中的协议做个类比,把它理解成区块链中的一种“协议”。

      

     

        

    所有的共识算法必须具备三个基本要求:

    1.一致性 (safety):所有参与共识的诚实的节点,得到的计算结果是相同的,而且是符合共识协议的。

    2. 终局性 (liveness):所有参与共识的诚实的节点,最终可以达成一致性结果。

    3. 容错性 (fault tolerance):在共识算法

    注意:共识机制不等于共识算法。共识机制由共识算法来实现。比如:PoW共识机制由PoW共识算法来实现。

    一个共识机制可能由一到多个算法来实现它。目前我们看到的共识机制大部分都由一种共识算法来实现。

    6.如何达成共识?

           前面我们看到了,面对面坐在一起协商谈判都很难达成共识,更何况区块链是分布式的,彼此不信任的结点之间要达成共识就更困难。

    所以需要借助共识机制在物理上分散的各个彼此互不信任的结点之间达成共识。

    7.有哪些主要的共识机制?

       7.1 工作量证明(PoW)

     工作量证明(POW,Proof-of-Work)是一个用于阻止拒绝服务攻击和类似垃圾邮件等服务错误问题的协议,它在 1993 年被 Cynthia Dwork 和 Moni Naor 提出,它能够帮助分布式系统达到拜占庭容错。
      工作量证明可以简单理解为一份证明,用来确认你做了一定量的工作。

    在数字货币系统中,工作量证明主要通过计算来猜测一个随机数(nonce),使它拼凑交易数据后的内容的Hash值满足一个规定的上限。由于Hash值在数学上主要采用群举法碰撞所得,需要进行大量的计算,只要能提出满足要求的随机数的矿工就被认为付出了一定的工作量,可以获得这个区块的奖励。

    哈希运算是一种最常见的工作量证明机制。该机制主要利用哈希运算的复杂度,通过给定的初始值,进行简单的值递增运算,利用哈希算法求解,直到找到满足条件的碰撞值。不同的哈希算法求得的碰撞值长度不同,所需工作量和安全性能也不同。碰撞值的长度越长,则所需的工作量越大。对于同一个哈希算法,可以设定哈希值前N位为0的个数来调节运算难度。

    优点:完全去中心化,安全性高,所有节点可参与,节点自由进出,每个节点是公平的,被攻击成功的可能性小。

    缺点:先确认后共识,需要耗费大量的算力,造成能源浪费,交易吞吐量有限,确认时间长。

    典型应用项目:比特币,莱特币,以太坊(前两阶段Frontier前言、Homestead家园为POW;第三阶段Metropolis大都会为casper,类似POW+POS;第四阶段Serenity为POS)

    注意:中心化和去中心化各有优劣,考虑到比特币的诞生就是反对中心化的,这里我把中心化看做缺点,去中心化看做优点

      7.2 PoS   

    PoS即权益证明,最早由Sunny King于2012年创立的PPC采用,它可以解决上面提到的浪费算力的问题。

    简单来说,它选举Kuang工的规则是:谁有钱谁更有可能获得记账权。

    回到乒乓球比赛的例子,也就是谁比分最高,让谁来记,这样鼓励积极比赛的人。

    这样的好处:

    1. 不需要算题,所以节约能源。

    2. 攻击者需要更高的成本,因为他需要购买大量的代币才能获得51%的篡改权。

     

    7.3  委托权益证明机制(DPoS)

            请参考其它资料。

    7.4 分布式共识算法

        分布式一致性算法有很多,主要是Paxos算法及衍生的Raft算法,由此演化出分布式共识算法。在此只谈谈实用拜占庭容错算法PBFT.

      实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerance)刚开始是在MIT的Miguel 和 Barbara Liskov在1999年的学术论文中提出的,他们的本意是为设计一个低延迟存储系统设计系统,将算法复杂度由指数级降低到多项式级,使得拜占庭容错算法在实际系统应用中变得可行。

      可见分布式共识算法并不是区块链出现之后才有的,也不是专门为区块链而设计的,实际上早在区块链技术出现之前就已经有了很多分布式一致性算法的研究成果。所以有人说区块链是建立在已有

    技术研究基础之上的一种创新型应用。

    要理解实用拜占庭容错算法,就需要先了解什么是拜占庭将军问题.

    拜占庭将军问题是图灵奖大牛 Leslie Lamport 为描述分布式系统一致性问题( Distributed Consensus )在论文中抽象出来一个例子. 

    一个可靠的计算机系统必须能够应付出现故障的组件给系统的不同部分发送互相冲突的信息的情况。

    这种情况可以用一群拜占庭将军围攻一个城市的例子来做个比喻。这些将军驻扎在城市的各个方向,互相之间只能用信使来通信,大家必须达成一个共同的作战计划。但是,这些将军中是有叛徒的,叛徒会传送自相矛盾的信息来迷惑大家。BFT 的目标就是如何让大家最终能够达成共识。

    准确的说,所谓 BFT ,也就是拜占庭容错,指的就是在系统上有一些恶意组件不断发送错误信息的情况下让系统依旧正常运行的能力。实现 BFT 有多种算法。其中一种最为常见的叫 PBFT 

       

    pBFT 模型下,有一个节点会被当做主节点,而其他节点都是备份节点。系统内的所有节点都会相互通信,最终目标是大家能以少数服从多数的原则达成数据的共识。如果主节点出现明显的撒谎迹象,其他的节点也可以联合起来更换主节点。

    每一个共识过程分下面这四步:

    第一步,客户端发一个请求给主节点去执行某个操作。
    第二步,主节点广播这个请求到各个备份节点。
    第三步,所有节点执行操作并把结果返回给客户端。
    第四步,当客户端收到 f + 1 个来自不同节点的相同的结果后,过程结束。f 代表可能撒谎的节点的最大值。
    从第四步也可以看出,只要客户端能保证多数人认可了一个相同的结果,这个结果就是最终的共识了。具体的数学论证我们不展开,但是有这样一个结论:pBFT 模式能够工作的前提是系统上撒谎的节点不能超过总节点数的三分之一。

    优点和缺点
    PBFT 被用在区块链领域做共识算法,所以我们最后就来讨论一下它跟最常用的 POW 算法对比起来,有哪些优缺点。

    先说优点。首先,pBFT 无需等待确认。PBFT 中发一个交易,不需要像比特币的 POW 算法那样,去等待六次确认。如果一个区块通过 pBFT 算法被系统认可了,那么这个区块就是最终区块了,不会被撤销。因为各个节点达成共识是在同一时刻决定的,所以用 pBFT 维护的区块链不会跟 POW 那样分叉,所以也就不用等待确认以保证当前区块所在的链是最长链了。其次,pBFT 不用耗能。因为 PBFT 是无需挖矿的,所以每一次共识过程也就不会像 POW 那样去耗费大量电能了。总之,pBFT 高效而节能。

    但是 PBFT 也有明显的缺点。首先,最大的缺点是节点数不能太多。因为要保证各个节点间的频繁的通信,所以整个共识网络不能太大,这样就让整个网络不可能像 POW 那样做到全球范围的去中心化了。其次,PBFT 不能防止女巫攻击。POW 之所以要耗能,很大一个原因就是要防止女巫攻击。女巫攻击指的是,一个恶意用户用各种方法伪造多个账户来进行共识过程。POW 是通过巨大的金钱消耗来增加伪造一个新账户的难度,而 PBFT 就没有这一层保证了。所以 pBFT 比较适合有准入许可的联盟链,不太适合做无准入门槛的公链.  

    8.共识机制如何分类?

       共识机制的分类有多种分类方式。

    •     根据共识算法解决问题的方式,我们可以大致将其分为两类:

        基于证明是一类,如POW、POS、DPOS;

        基于投票的有PBFT、PAXOS、RAFT;

    9.各种共识机制的对比与评价

         各种共识机制都各有优缺点和适合的场景,下面我们就用表格的形式对现有的一些主流共识机制做一个总结。

         简单一点说:

    POW (工作量证明):安全、去中心化,去信任化;但速度低,共识时间长,耗能大;
    POS (权益证明):共识时间短,耗能小;但效率低下,易产生马太效应,带来中心化;
    DPOS (委托权益证明):出块时间很短,效率相对更高。
     

    10.区块链开发者如何选择共识算法?

        根据前面对各种共识机制优点与缺点的对比分析,可以根据链的类型选择适合的区块链算法,开发者也可以自己创造一种共识机制。下面这张图仅供参考。

    总结:区块链是一个信任机器。信任由共识产生,而具体的共识机制包括PoW、PoS、DPoS、PBFT等等。具体选择哪一种方法,与项目和应用有关,不应一概而论

     

     

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