区块链共识:任何人都可以理解的简单解释

基本入门:区块链共识协议指南。区块链是一个分散的对等系统,没有中央授权机构。尽管这创建了一个没有单一来源腐败的系统,但仍然造成了一个主要问题.

  • 如何做出决定?
  • 怎么做?

考虑一个正常的集中式组织.

所有决定均由领导者或决策者委员会做出。这在区块链中是不可能的,因为区块链没有“领导者”。为了使区块链做出决策,他们需要使用“共识机制”达成共识.

那么,这些共识机制如何发挥作用,为什么我们需要它们?加密货币中使用的一些共识机制是什么?

我们将在本指南中回答这些问题。基本入门:区块链共识协议

基本入门:区块链共识协议

什么是共识机制?

这就是 维基百科定义 共识决策:

“共识决策是一个小组决策过程,小组成员在此过程中发展并同意支持整个决策的最大利益。共识可以从专业上定义为一种可以接受的解决方案,即使不是每个人的“最爱”,也可以得到支持。 Merriam-Webster将共识定义为,首先,是普遍同意,其次是信念或情感上的群体团结。”

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简单来说,共识是在小组中达成协议的动态方式。尽管投票只是为多数人的规则而定,而不考虑少数人的感受和福祉,但另一方面,达成共识可以确保达成协议,从而使整个集团受益.

从更理想主义的观点来看,共识可以被散布在世界各地的一群人用来创建一个更加平等和公平的社会.

实现共识决策的方法称为“共识机制”.

因此,现在我们定义了共识是什么,让我们看看共识机制的目标是什么(数据来自维基百科).

  • 寻求协议:共识机制应使小组尽可能多地达成协议.
  • 协作:所有参与者都应致力于共同努力,以取得将小组的最大利益放在首位的结果.
  • 合作社:所有参与者都不应将自己的利益放在首位,并且团队合作比个人更多.
  • 平等主义者:一个试图达成共识的团体应该尽可能地平等。这基本上意味着每一票都具有同等的权重。一个人的投票比另一个人的投票重要.
  • 包容性:应尽可能多地参与共识过程。这不应该像普通投票那样,人们真的不喜欢投票,因为他们认为从长远来看他们的投票不会有任何分量.
  • 参与性:共识机制应使每个人都应积极参与整个过程.

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既然我们已经定义了共识机制是什么以及它们应该针对什么,那么我们需要考虑会议室中的另一头大象。.

像区块链这样的实体应该使用哪种共识机制.

在比特币出现之前,有很多点对点去中心化货币系统的迭代失败,因为它们在达成共识时无法回答最大的问题。这个问题称为“拜占庭将军问题”.

什么是拜占庭将军问题?

了解区块链共识协议:基本指南

图片提供:中等

好吧,想象一下,有一群拜占庭将军,他们想进攻一座城市。他们面临两个非常不同的问题:

  • 将军及其军队相距遥远,因此不可能有中央集权,这使得协同进攻变得非常困难.
  • 这个城市拥有一支庞大的军队,他们获胜的唯一途径是,如果他们都一次进攻.

为了成功进行协调,城堡左侧的军队向信使右侧的军队发送了一个“使者”信使,并显示“攻击星期三”消息。但是,假设右边的军队没有为袭击做好准备,并说:“不。攻击星期五”,然后将使者通过城市发回左侧的军队.

这是我们面临的问题.

可怜的使者可能会发生很多事情。他可能会被俘获,妥协,杀死并由城市的另一名使者代替。这将导致军队获取被篡改的信息,这可能导致不协调的攻击和失败.

这也有对区块链的明确引用。连锁店是一个庞大的网络;您怎么可能信任他们?如果您要从钱包中向某人发送4个以太币,您将如何确定网络中的某人不会篡改它并将4个以太币更改为40个以太币??

这些将军们需要的是一种共识机制,该机制可以确保尽管遭受了所有这些挫折,但他们的军队实际上仍可以作为一个整体进攻.

我们现在将通过一系列可以解决拜占庭将军问题的共识机制.

#1工作证明

比特币的创造者中本聪(Satoshi Nakamoto)通过发明工作量证明协议而绕过了这个问题.

首先,让我们看一下在拜占庭将军问题下它是如何工作的.

假设左边的军队想向右边的军队发送一条名为“ ATTACK MONDAY”的消息,他们将遵循某些步骤.

  • 首先,他们将在原始文本后加上“ nonce”。随机数可以是任何随机的十六进制值.
  • 之后,他们对附加了随机数的文本进行哈希处理,然后查看结果。假设,假设军队决定只共享消息,这些消息经过散列后得出的结果以5个零开头.

  • 如果满足哈希条件,则它们将向消息发送者将消息的哈希值发送给Messenger。如果没有,那么他们将继续随机更改随机数的值,直到获得所需的结果。此操作非常繁琐且耗时,并且需要大量计算能力.

  • 如果Messenger确实被城市捕获,并且消息被篡改,则根据哈希函数属性,哈希值本身将发生巨大变化。如果将军在右边,看到散列消息不是以所需的0开头,那么他们可以简单地取消攻击.

但是,可能存在漏洞.

没有哈希函数是100%无冲突的。那么,如果城市收到该消息,对其进行篡改,然后相应地更改随机数,直到它们获得所需的结果(具有所需的0),该怎么办?这将非常耗时,但仍然可能。为了解决这个问题,将军们将大量使用力量.

假设不是左派一位将军向右一位将军发送消息,左派三位将军必须向右一位将军发送消息。为了做到这一点,他们可以制作自己的消息,然后对累积的消息进行哈希处理,然后将nonce附加到生成的哈希中,然后再次对其进行哈希处理。这次,他们想要一条以六个0开头的消息.

显然,这将是非常耗时的,但是这一次,如果使者确实被城市抓住,那么他们花费大量时间来篡改累积的消息,然后为哈希找到相应的现时将是无限的。更多的。甚至可能需要数年。因此,例如。如果将军派遣了多个使者,而不是一个使者,那么当城市甚至在计算过程中途结束时,他们将受到攻击并被摧毁.

右边的将军们很容易做到。他们要做的就是在消息中附加将要给他们的正确随机数,对它们进行散列,然后查看散列是否匹配。散列字符串非常容易。本质上就是工作量证明背后的过程.

  • 为适当的哈希目标找到随机数的过程非常困难且耗时.
  • 但是,检查结果以查看是否未实施任何渎职行为的过程应该非常简单.

因此,如果我们要总结工作量证明协议如何与区块链一起使用.

  • 矿工解决密码难题以“挖掘”区块以添加到区块链中.
  • 该过程需要大量的能量和计算量。谜题的设计方式使它变得困难且对系统造成负担.
  • 当矿工解决难题时,他们将自己的区块提交给网络进行验证.
  • 验证块是否属于链是一个非常简单的过程.

工作量证明机制在解决拜占庭将军问题时肯定回答了很多问题,但不幸的是,工作量证明存在一些问题.

  • 首先,工作证明是一个极其低效的过程,因为它消耗了大量的能量和精力.
  • 负担得起更快,功能更强大的ASIC的人和组织通常比其他人有更好的挖掘机会.
  • 因此,比特币的分散程度不如预期。让我们检查一下哈希率分布图:了解区块链共识协议:基本指南图片来源:Blockchain.info

如您所见,大约65%的哈希率仅在5个采矿池中分配!

  • 从理论上讲,这些大型矿池可以相互协作,并在比特币网络上发起51%的交易.

使用此协议的著名加密货币:比特币

#2股权证明

以太坊即将计划从工作量证明(POW)转向权益证明(POS).

权益证明将使整个采矿过程变为虚拟,并用验证器代替采矿者.

这是该过程的工作方式:

  • 验证者将必须锁定一些硬币作为股份.
  • 之后,他们将开始验证块。意思是,当他们发现自己认为可以添加到链中的区块时,将通过在其上下注来验证该区块.
  • 如果添加了块,则验证者将获得与其下注成比例的奖励.

了解区块链共识协议:基本指南

如您所见,POS协议比POW更加资源友好。在POW中,您需要浪费大量资源才能与协议一起使用,从根本上来说,这是浪费资源,是为了浪费资源.

股权证明的最大障碍

以太坊开发人员始终计划最终进行股权证明,这始终是他们的计划。但是,在这样做之前,他们必须解决股权证明(POS)的最大缺陷之一.

暂时考虑一下这种情况:

了解区块链共识协议:基本指南

假设我们遇到上述情况。有一条主蓝链和一条红链,它们从主链本身分支出来。有什么方法可以阻止恶意矿工在红色区块上进行挖掘并强制进行硬分叉?

在工作量证明(POW)系统中,可以减轻这种风险.

假设恶意矿工爱丽丝(Alice)想在红色链条上开采。即使她将所有的哈希算力都献给了它,她也不会再有其他矿工加入她的新链条中。其他人仍将继续在蓝链上进行开采,因为在较长的链上进行开采更有利可图且无风险.

现在请记住,POW在资源方面非常昂贵.

对于矿工而言,在一块将要被网络拒绝的区块上浪费如此多的资源是没有意义的。因此,由于攻击者必须浪费大量资金,因此在工作量证明系统中避免了链条分裂.

但是,带POS时看起来有些不同.

如果您是验证人,那么您只需将钱放入红色链和蓝色链中,根本不用担心会受到打击。无论发生什么情况,尽管您的行为可能多么恶意,您仍将永远赢,不会损失任何东西.

这就是所谓的“一无所获”问题.

为了整合POS共识系统,加密货币需要解决这个问题,以太坊将通过调整其Casper协议以一种非常有趣的方式实现这一目标.

Casper是以太坊选择使用的POS协议。尽管整个团队都在忙于创建它,但弗拉德·扎姆菲尔(Vlad Zamfir)通常被认为是“卡斯珀面孔”.

了解区块链共识协议:基本指南

图片来源:Blocknomi.

那么Casper与其他权益证明协议有何不同?

卡斯珀已经实施了一种程序,可以惩罚所有恶意元素。这就是Casper下的POS的工作方式:

  • 验证人将部分以太股份作为股份.
  • 之后,他们将开始验证块。意思是,当他们发现自己认为可以添加到链中的区块时,将通过在其上下注来验证该区块.
  • 如果添加了块,则验证者将获得与其下注成比例的奖励.
  • 但是,如果验证者以恶意的方式行事并且试图做“无所不包”,他们将立即受到谴责,所有的股份将被削减。.

如您所见,Casper注定要在不信任的系统中工作,并且具有更高的拜占庭容错能力.

任何以恶意/拜占庭方式行事的人都会被砍掉股份,立即受到惩罚。这与大多数其他POS协议不同。恶意元素会有所损失,因此不可能有任何危险.

如果以太坊计划扩大规模,那么无懈可击地实施Casper和股权证明至关重要.

使用此协议的著名加密:以太坊(在不久的将来)

#3委托权益证明

现在,我们来介绍一种有趣的股权证明形式,称为DPOS或委托权益证明。 EOS正在使用这种共识机制来扩展到每秒数百万个事务.

如果他们真的可以完成任务,那么他们将有DPOS感谢.

首先,将令牌持有在集成到EOS软件中的区块链上的任何人都可以通过连续批准投票系统选择区块生产者。任何人都可以参加大块生产者选举,他们将有机会生产与他们相对于所有其他生产者的总票数成比例的块.

它是如何工作的?

  • 方块在21轮中产生.
  • 在每个回合开始时,都会选择21个区块生产者。自动选择前20名,而选择第21名则与他们相对于其他制作人的票数成正比.
  • 然后使用从块时间得出的伪随机数对生产者进行混洗。这样做是为了确保与所有其他生产者的平衡连接.
  • 为了确保维持常规的区块生产并将区块时间保持在3秒,生产者因未参与而受到惩罚,将其从考虑范围中删除。生产者必须每24小时生产至少一个块才能考虑.

DPOS系统不会遇到麻烦,因为制作人必须竞争合作,而不是寻找块。如果发生分叉,共识会自动切换到最长链.

在DPOS中确认交易?

DPOS区块链通常具有100%的区块生产者参与度。通常在广播之日起1.5秒钟内以99.9%的确定性确认交易。为了对交易的有效性具有绝对的确定性,节点仅需等待15/21(即2/3多数)生产者达成共识.

因此,如果由于疏忽或恶意意图而导致叉子发生了什么情况?

默认情况下,所有节点都不会切换到不包含15/21生产者未完成的任何块的派生。无论链长如何,这都是正确的。每个区块都必须获得15/21批准才能被视为链条的一部分.

由于块创建时间短,因此可以在9秒内警告节点它们位于主链还是次链中。这样的原因很简单。请记住,每个区块之间经过的平均时间为3秒.

如果节点错过2个连续的块,则它们有95%的机会处于少数分支.

如果一个节点错过了3个区块,那么它们有99%的机会处于少数链上.

什么是TAPOS?

作为权益证明或TAPOS的交易是EOS软件的功能。系统中的每个事务都必须具有最近块头的哈希值。这将执行以下操作:

  • 防止不同链上的交易重播.
  • 向网络发送信号,告知用户及其利益在特定分支上.

这可以防止验证者对其他链进行恶意操作.

好吧,听起来很有趣.

您有一个快速有效的权益证明协议.

渔获物在哪里?

为此,让我们介绍以太坊联合创始人Vitalik Buterin的见解。据他介绍,DPOS系统无法进行协调游戏.

什么是协调博弈论?

考虑以下矩阵:

了解区块链共识协议:基本指南

现在,如果您看到此矩阵,则有两个纳什均衡:(A,A)和(B,B),偏离任一州都不会使他们受益。这个游戏的想法是,您如何说服人们从(A,A)转到(B,B)?如果只涉及一小群人,那相对简单,您只需通过电话或电子邮件进行协调。但是,当我们谈论一大群人时,这种情况发生了变化.

囚徒困境和协调问题之间的根本区别在于,在囚徒困境中,两个参与者都必须选择(B,B),因为尽管(A,A)在道德上是一个更好的解决方案,但这是收益最大的选择。在协调问题中,这与道德或收益无关,而与一个人从一种状态过渡到另一种状态的动机有关。为什么一大群人应该改变他们做事的方式?

当小组中只有少数改变状态而多数没有改变时,协调游戏就会失败,反之,当小组中的大多数改变状态时,协调游戏就会成功。让我们来看一个例子.

  • 假设我们要将语言更改为基于符号的语言。例如:
  • 原始陈述:“给我您的电话号码吗?”
  • 新声明:“#?”

如果您只使用这种语言说话,那将是失败的,因为大多数人不会理解您在说什么,并且您会被谈话所避开,也就是您的收益很低,并且您没有动力去改变.

但是,如果您的社会大多数人改用这种语言并仅使用该语言,则您将不得不更改语言,否则您将永远无法适应。现在,加入您的动机非常强烈.

DPOS系统可以利用协调博弈理论来弥补其缺点。在某些情况下,块生产者可能会偏爱某些情况,而这种情况与其余节点不符.

假设主节点希望将链从状态A转换为状态B。要帮助整个链与它们一起完成相同的转换可能是一项艰巨的任务,尤其是当其他节点与状态B相对时.

只有时间会证明EOS是否可以正确正确地集成DPOS.

使用此协议的著名加密货币:EOS

#4委派的拜占庭式容错(dBFT)

现在我们来谈谈NEO的共识机制选择.

想象有一个国家“ Blockgeeks”,这个国家有很多公民。这些公民中的每一个都会选出一个代表来代表他们并使他们感到高兴。这些代表的职责是通过法律,使公民感到高兴,如果他们不擅长自己的工作,则公民下次可以简单地投票给另一位代表.

那么代表们如何通过法律?

一位代表被随机选为发言人.

然后,议长研究公民的所有要求并制定法律。然后,他们计算这些法律的“幸福系数”,以查看该数字是否足以满足公民的需求。然后,他们将其传递给代表.

然后,代表们分别检查发言人的计算。如果演讲者的电话号码与代表的电话号码相符,则表示同意;否则,则表示不赞成.

66%的代表需要批准才能通过法律。如果多数人没有被密封,则选择新的领导者,然后重新开始流程.

那么,让我们看看这在区块链中如何应用.

公民是拥有NEO令牌又名普通节点的人.

代表是簿记节点。为了成为簿记节点,您需要满足一定的条件:拥有专用设备,专用的互联网连接和一定数量的GAS(根据basiccrypto的文章为1000).

  • “公民的需求”基本上是代币持有者进行的各种交易.
  • “法律”是要添加到区块链中的当前块.
  • “幸福因子”是当前块的哈希值.

现在,在两种情况下,其中一个参与者可能以恶意方式行事。让我们来看看:

案例1:演讲者是恶意的

了解区块链共识协议:基本指南

图片来源:basiccrypto Steemit文章

在这种情况下,发言人已向两个代表发送了恶意消息B,并向一个代表发送了准确消息。由于多数规则,可以轻松缓解这种情况。两位代表将看到他们的哈希值与演讲者的哈希值不匹配,而一位代表将看到他们的哈希值完美匹配。但是,每3个提案中有2个不会批准该提案,因此无法达成共识。此后,扬声器将被移除.

情况2:一名代表是恶意的

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图片来源:basiccrypto Steemit文章

演讲者向所有代表发送了正确的消息,但是其中一位代表决定以恶意的方式行事,并声明他们的电话号码与演讲者的电话号码不匹配.

但是,由于3位代表中有2位是非恶意的,因此他们将批准法律,因为已经达成66%的共识,因此将通过.

可以看出,dBFT提出了一种非常有趣的共识机制形式.

使用此协议的著名加密货币:NEO

这些是在加密货币中使用的最常见的4种共识机制。但是,您可以签出更多内容,以提供有趣的选择。他们是:

  • 活动证明.
  • 烧伤证明.
  • 经过时间证明.
  • 容量证明.

结论:区块链共识

没有共识机制,我们将不会有拜占庭容错分散的点对点系统.

它是如此简单。虽然工作证明和股权证明无疑是最受欢迎的选择,但是时不时会有更新的机制出现。没有“完美”的共识机制,并且有可能永远不会出现,但是有趣的是,这些更新的加密货币是通过自己的协议产生的.

Mike Owergreen Administrator
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