进阶篇2.5 共识机制

作者: HORIZEN官方 | 来源:发表于2019-03-13 10:50 被阅读32次

区块链的共识机制允许网络就单个版本的历史达成一致。加密货币区块链的历史记录是网络上的交易发生的顺序。

当网络参与者创建交易时，然后将交易广播到整个网络。每个节点记录交易并将其添加到账本的历史版本中。不同节点保留的不同版本可能略有不同。如果您在美国广播交易，则那些与您更近的节点将比基于亚洲的节点更早地接收它。同样的交易数据可能有不同的版本。但最终，所有网络参与者都需要就给定的交易达成一致，这就是区块链的共识机制。

有许多方法可以在分布式网络中实现共识，但最常用的两种方法是工作量证明和股权证明算法。我喜欢Demiro Massessi所阐述的概括：

“共识机制之间的主要区别在于它们委托和奖励交易验证的方式。（......）区块链共识算法以这种或那种方式归结为某种投票，其中用户的投票数量与用户无法控制的有限资源数量挂钩。“ - Demiro Massessi

工作量证明 - PoW

矿工是那些致力于在工作量证明区块链中，让网络达成共识的人。它们收集通过对等网络信息并转发给它们的对等节点，并将它们保存在它们的mempool（内存池）中。当他们收集传入的交易时，他们根据协议验证交易是否有效，并将它们添加到当前正在处理的区块中。与此同时，他们正致力于解决计算成本高昂的难题。我们将在下一篇关于挖矿的文章中介绍。

解决这个难题的矿工首先将他们的区块广播到网络，然后将区块链扩展一个区块。矿工为他的工作收到新硬币，并且他在过去的几分钟内写下了区块链的历史。在Horizen中，这种情况平均每2.5分钟发生一次，比特币平均每10分钟发生一次。创建区块的机会与矿工的算力成正比。如果矿工拥有网络10％的算力，他平均每十分之一就能解决一次。

计算能力是基于PoW的区块链中的有限资源。它需要现实世界的资源，即矿机和电力，来挖掘加密货币。一个矿工很难控制大部分网络，因为维护PoW分类帐需要外部成本。这是一个竞争激烈的环境，每个矿工都不断希望增加他在计算能力或哈希率上的份额。

矿工需要计算能力，因为他们试图解决的问题只能通过随机猜测来解决。因为这个问题是无优化且无近似的，并且只有PoW能起作用。这意味着在找到有效的解决方案之前，没有大量尝试想解题是没有捷径的。您无法计算解决方案，需要通过反复试验方法找到解决方案。无逼近意味着不可能有一部分解决方案或“简便方法解决问题”。不管您有没有解题答案，答案始终都是二进制的。

一旦发现区块并向网络广播，所有节点和矿工就验证新块的有效性。如果验证通过，他们会从他们的mempool中删除现在已经记录在区块链上的所有交易，这是他们用来收集交易的存储。一旦他们的mempool有尚未开采的交易，他们就开始处理下一个区块。这就是区块链网络中，工作量证明是如何将交易历史的单一版本达成一致的过程。

最长链原则

现在你可以想象一个场景，两个矿工同时找到一个区块。在这种情况下，网络上的所有节点和矿工都保存了块的两个版本。这是一个平局情况：这两个块在这一点上都是有效的，但不知何故，他们必须打破平局。我们需要单一版本的事实。矿工们将首先在他们收到的区块上开始挖矿。当矿工找到下一个区块时，共识就会跟随最长链；最长区块将被所有矿工和节点接受为单一真理。被忽略的区块称为孤立块。这种打破二个竞争区块之间联系的过程称为最长链原则或Nakamoto共识。

如果80％的矿工首先接收区块A，后接收20％区块B，则区块A是最长链的可能性为80％（假设所有矿工具有相同的计算能力）。在某种程度上，矿工们使用他们的计算能力在一个历史版本上投票。这完全符合本文开头的引用：“在用户的控制下，区块链共识算法以某种方式归结为某种投票，其中用户拥有的投票数量与有限资源的数量呈正相关。”- Demiro Massessi

工作证明是最安全的共识机制之一。只有在网络中有足够的计算能力（哈希速率）时，此机制才可行。在网络上有足够的计算能力的情况下，比特币协议已经证明了十多年来的工作证明共识是多么安全。我们已经在我们的文章中讨论了游戏理论，该文章将区块链描述为转移价值的协议，并在关于智能合约的文章中。根据维基百科，博弈论“是对理性决策者之间战略互动的数学模型的研究”。矿工是PoW区块链中的一组理性决策者。根据采矿协议的规则，对应激励机制也嵌入在协议本身中。这就是使PoW区块链如此强大且成熟的原因。

在我们关于挖矿相关的文章中，我们将更详细地讨论这个过程，您将了解我们在PoW背景下讨论的难题是什么。

股权证明 - PoS

有一些实体收集交易并在一个Stof-of-Stake区块链中创建新区块。该过程以及此设置中的术语略有不同。

鉴于在PoW创建区块的叫矿工，但PoS中创建区块的叫验证人。验证新块的机会与验证器的份额成正比。股权是指验证人在他们想要成为验证人的时间内愿意锁定的资金数额。要成为验证者，用户需要以特殊类型的交易发送资金。这些资金被锁定在称为验证器池的存款中，并且只有在验证者根据协议规则行事时才会被释放。如果验证者在他们的区块中包括欺诈性交易，他们将失去他们的股份和伪造区块的权利。

PoS环境中的稀缺资源是其链上的代币。您在PoS区块链中投入的资金越多，验证新区块的机率就越高。在（大多数）Stof-of-Stake区块链中，没有区块奖励。验证人员在开展工作的激励是完全基于收取交易所附加的交易费用。

比较POW和POS

怀疑论者质疑股权证明共识模型的整体安全性，因为它不会消耗真实资源作为验证者。因为当在Proof-of-Stake区块链中存在两个冲突的块时，所在两个块的顶部同时构建新块没有相关的成本。在PoW中，每个开采的区块都有实际成本（电力）。PoS区块链是否可以与比特币及其PoW区块链有同样的安全性，毕竟POW已经展示十多年的安全性，而POS还有待观察。

PoW和PoS之间的另一个区别在于，在PoS区块链中，“每个验证节点都需要是可识别的。对于任何恶意行为，必须保留赌注的硬币。”据Massessi说。在PoW区块链中，不需要识别矿工或节点。事实上，如果一个节点收到一个块，那么就没有包含该块矿工是谁的信息。它可能是您刚刚接收到该块的节点，它也可能在它到达您之前已被多次中继。它没有矿工，也无需节点验证人。重要的是难题的解决方案和块中的所有交易都是有效的。你只需要相信数学而不需要其他任何人来信任工作量证明。

股权证明的支持者指出PoW区块链的高能源成本和有限吞吐量，因此认为PoS共识机制更具可持续性。目前还没有可用的PoS区块链可以支持其声称在很长一段时间内保持跟踪记录的安全性。我们有一个PoW区块链的先例，运行超过10年没有任何重大的安全漏洞（比特币）。时间将证明PoS区块链是否能够实现同样安全的承诺，是否比PoW区块链更具可扩展性。

我们将在关于采矿的文章的最后再次讨论这个问题。一旦您了解了挖矿过程的全部内容，PoS和PoW社区的论点将对您更有意义。

总结

在工作量证明方法中，矿工们使用他们所拥有的算力权重对历史版本进行投票。在Proof-of-Stake股权证明方法中，验证者使用区块链上拥有的资金或股份的权重对历史版本进行投票。虽然PoW已经证明已有十多年的安全性，但PoS区块链的安全性仍有待证实。在我们下一篇关于挖矿的文章中，我们将最终解释到之前为止被大家一直在模糊地讨论的“谜题”或“计算成本高昂的任务”是什么。

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