第3講 | 淺說區塊鏈共識機制
————文章出自極客時間《深入淺出區塊鏈》 作者：元界 CTO 陳浩
我在第2講“區塊鏈到底是怎麽運行的”一文中，提到了“打包Transaction”和“廣播交易”這兩個概念，因為概述的原因，當時只帶著你走了一遍過程。其實，以上談到的兩個內容正是區塊鏈最核心的技術內容之一：共識機制。
區塊鏈發展至今，已經形成了各種不同類型的共識機制，在今天的文章中，我們就展開聊一聊區塊鏈共識機制到底是什麽，以及區塊鏈的共識過程到底是怎樣的。
分布式系統的經典問題： 拜占庭將軍問題
拜占庭將軍問題其實是虛構出來的一個故事，是為了方便通俗地介紹分布式系統所面臨的難題。這裏我僅作一個簡短的說明，你可以在中文社區找到更豐富的通俗解釋材料。
為了避免重復，我們換一種表述形式，還是以上一次的村子為例，假設隨著村子和人口的發展，大村子演變成了十一個小村子並分散在各地，各地的通信只能靠信鴿進行。
大家約定了每年都會舉辦一個相親大會，至於誰能舉辦，每年輪流從兩個備選村子，A村和B村中選擇一個，然後大家投票，票數多者可以贏得舉辦權。
由於地圖很大，任何一個村子的投票都無法靠一只信鴿傳輸到每個村子，必須靠一個中繼村子代為傳輸，這也就意味著有中繼村子可以讀到其他村子的投票信息。
那麽，如何防止下面兩個問題的出現呢？
- 投票者的“精分”，這裏所謂的“精分”是指某個村子的投票行為不一致，發送給第一個村子的投票消息為“投票給A”，而發送給第二個村子的投票消息卻為“投票給B”。
- 中繼村子作弊，即篡改上一村的投票消息。
上面討論的問題我們可以認為是簡化的 “拜占庭將軍問題”（完整的拜占庭將軍問題還有將軍-副官模型，如果感興趣的話，你可以自行閱讀）。
我們回頭再看區塊鏈。區塊鏈本質上也是分布式系統的一種，其共識機制也是為了上述問題而提出的解決方案。
什麽是區塊鏈共識機制？
共識機制是區塊鏈是核心的組成要素之一，它決定了區塊鏈的業務吞吐量、交易速度、不可篡改性、準入門檻等等，是最為關鍵的技術要素之一。
要理解區塊鏈共識機制，首先就需要理解區塊鏈共識機制到底解決了什麽問題。
共識機制主要解決了兩個問題：
- 誰有權利；
- 作弊問題。
上一次我們構造了一個中心化記賬的場景，在這個場景下，記賬問題其實可以簡化為大家信任中心記賬者即可。
然而在分布式記賬的場景下，問題更為復雜。首先，大家面臨的最大問題是誰有權利記賬，其次是如何避免記賬者作弊。畢竟，誰都有權利記賬，也就意味著誰都有可能作弊。
以上兩部分共同構成了區塊鏈共識機制。
另外補充一點，在比特幣社區，“共識”（consensus）這個詞已經跳出了技術的範疇。通常人們在表述一個比特幣上的問題時，共識的內涵還包括比特幣的使用者、開發者、礦工來達成社區共識的部分，所以“共識”這個詞在區塊鏈領域還有些“民主”的味道，不單單是技術領域的“共識”。
最經典的入門型共識機制：PoW工作量證明
PoW （Proof of Work）工作量證明可以解決上述的兩個問題，
在上一篇文章中，其實我們已經悄悄講解了一點PoW共識機制，你還記得上文提到的“24點”那個遊戲嗎？“24點”其實是盡可能隨機地選取系統中任意的節點來規避作弊者，這個方案的實踐其實就是PoW共識機制。
產生記賬者的隨機性其實來自於誰最先計算出24點的答案，這個問題可以簡化成誰擁有的計算資源更多，誰就擁有整個系統的最大概率的記賬權。一旦這個概率超過一半以上，那麽這個系統就有一定的中心化風險。
如何理解上面一段話呢？
舉個例子，李四家發明了一種算盤，可以快速計算24點答案，比起其他人掰手指頭，李四家總是有很大的概率拿下記賬權，換句話說，也就是李四和全村其他所有人競爭，相當於算盤對全村其他人手指頭的競爭。
如果算盤足夠強大，就能有一半的概率獲得記賬權，那麽李四個人的誠實性，就成為了系統的唯一破綻。
比如李四在第一次記賬時篡改部分交易，第二次還是他記賬，還繼續篡改交易，那麽兩次修改如果自洽的話，是可以形成假賬的，這就是所謂的中心化風險。
所以在PoW這種機制中，計算資源（又稱算力）是決定記賬權的唯一因素。與之對應的，便是計算難度。
計算難度又稱作挖礦難度，計算難度是區塊鏈為了控制產生答案的速度，比如平均10分鐘就有一個答案產生，平均2分鐘一個答案產生。
在上述場景中，因為李四有了算盤，強大的計算資源突然加入以後，肯定會讓整個系統的產生答案的速度變快很多，作為系統本身會自適應，將難度提升，降低答案產生的速度。
上面介紹了這麽多，其實是想引出另外一個問題，PoW到底是如何避免作弊者的呢？答案就是計算資源（算力）。
設想，如果一個作弊者想篡改信封裏面的交易，首先得獲得記賬權，也就是裝信封的權利。
而影響記賬權的唯一因素只有計算資源（算力）的大小，如果想篡改交易，只能投入大量的計算資源與整個系統中其他所有人進行對抗，這是十分困難的，尤其在整個系統有一定基礎計算資源（算力）的情況下。
PoW中一個有趣的設計是激勵機制，在PoW共識機制下，我們假設所有參與者都是理性的，理性的意思就是單純逐利，不考慮家庭、愛好等其他因素。有了理性的前提，PoW共識機制會給每個誠實的記賬者予以獎勵，這個設計可以抗擊作弊收益的問題。
怎麽進行抗擊的呢？整個過程是這樣的，理性的人如果作弊、篡改賬本肯定需要投入成本，也就是計算資源，收益是篡改賬本獲得的收益減去投入成本，這個收益往往小於誠實計算所獲得的收益。所以，作弊者在作弊過程中投入的計算資源過大，反而得不償失。
PoW工作量證明的補充：解決雙花攻擊
上面給出了一個結論，我們說作弊的收益往往小於誠實計算的收益。這一點其實對應到區塊鏈領域有個著名的問題：雙花攻擊（double-spending） 。
雙花攻擊是指一個代幣被花費了兩次，這在任意的區塊鏈系統中是不被允許的。如果避免了雙花問題，基本就能避免上述作弊中收益過大的問題，因為攻擊者首先要竊取到你的私鑰，同時又能控制了你的計算資源（算力）。
為了方便分析，我們回到上一篇中廣播交易的那一節。那一節中我介紹了廣播的內容分為兩種，第一種是Transaction，第二種是區塊，也就是信封。
第一種又被稱為未確認的Transaction，第二種信封中所有的交易被稱作已確認的Transaction。
所有記賬節點都會遵循以下兩條規則：
規則一：一個代幣如果已經被花費，那麽會被標記成已花費，如果再次接收到這個代幣被花費的請求，那麽記賬節點會拒絕打包這筆交易；
規則二：如果同時接收到兩個信封，這兩個信封中裝的兩筆交易出現了一個代幣被花費了兩次的情況，這種情況也就是我們所說的分叉（Fork），那麽選擇挖礦難度比較大的那個信封。
規則一避免了未確認的交易出現雙花，規則二基本避免已經確認的交易中（信封中）的雙花問題。
假設作弊者的計算資源（算力）占整個系統的30%，那麽連續兩次獲得記賬權的概率是9%，看起來作弊的可能性還是挺高的，如果是連續6次獲得記賬權呢？概率直降到萬分之七。
在比特幣中，這個6也就是6次確認，表示連續6個塊過去了，如果我的交易沒有被雙花的話，那麽它被篡改的可能性將越來越小，最後變得幾乎不可能被篡改。這也是區塊鏈不可被篡改說法的由來。
試想，如果任何作弊者花了大量的成本獲取了系統30%的計算資源（算力），最後只有萬分之七的概率獲得篡改的可能性，比起作弊，還不如誠實記賬的收益高。
總結
好了，今天帶你了解了區塊鏈的共識機制，也順便淺談了拜占庭將軍問題，介紹了區塊鏈的入門共識機制PoW，它其實也是目前區塊鏈領域使用最廣泛，應用最成熟的共識機制。
最後，還涉及了一部分PoW工作量證明的補充：解決雙花攻擊。由於篇幅所限，我們將在技術篇詳細講解PoW、PoS、DPoS等共識機制。
第3講 | 淺說區塊鏈共識機制