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　　比特幣在2017年1月初又再次突破$1100美元每枚， 雖然由于中國(guó)央行緊急干預(yù)有所回落，但它的跨國(guó)換匯需求巨大，價(jià)格會(huì)將會(huì)是穩(wěn)健的。而基于Bitcoin上的區(qū)塊鏈技術(shù)再次引起各方面的注意。 共識(shí)算法是區(qū)塊鏈技術(shù)的核心，本文主要想探討一下主流的區(qū)塊鏈共識(shí)算法：工作證明(Proof of Work) 和權(quán)益證明(Proof of Stake)等等，展望一下共識(shí)算法的未來發(fā)展和創(chuàng)新，自然也會(huì)引入一些評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。故本文注重原創(chuàng)性的研討。

 

 

 

　　1997年 Adam Back 設(shè)計(jì)出Hashcash，最初是為了預(yù)防垃圾郵件的。在2009年Satoshi Nakamoto在比特幣上線時(shí)使用了P of W, 嚴(yán)格意義上講是可重復(fù)使用的Hashcash工作證明 (Reusable Hashcash Proof of Work), 生成工作證明可以是一個(gè)概率意義上的隨機(jī)過程。在塊生成時(shí)，為了讓網(wǎng)絡(luò)參與者接受這個(gè)區(qū)塊，礦工必須完成區(qū)塊中所有數(shù)據(jù)的工作證明。同時(shí)調(diào)整這項(xiàng)工作的難度，以便限制網(wǎng)絡(luò)可以平均10分鐘產(chǎn)生一個(gè)新區(qū)塊的速度。它的優(yōu)點(diǎn)就是去中心化和分布式賬簿。 缺點(diǎn)就是消耗資源，同時(shí)在安全上 ，為了攻擊比特幣，系統(tǒng)的證明要求黑客擁有網(wǎng)絡(luò)的哈希值或計(jì)算能力的至少51%。由于比特幣網(wǎng)絡(luò)太龐大，這是目前難以做到的。 但基于工作證明的小型網(wǎng)絡(luò)，卻容易遭受攻擊，理由是黑客可以以低得多的成本獲取51%的運(yùn)算力，比如Ethereum network，在2016年就遭受攻擊威脅。

 

 

　　這是在2011年7月由“QuantumMechanic” 在bitcoin 社區(qū)首次提出概念，出發(fā)點(diǎn)是輔助彌補(bǔ)工作證明解決一些問題，并不是獨(dú)立的共識(shí)算法。但Sunny King獨(dú)立在Peercoin 首次開創(chuàng)性的實(shí)現(xiàn)了真正的權(quán)益證明，也不需要消耗能源。這也是虛擬貨幣歷史上的一次創(chuàng)新壯舉。權(quán)益證明克服了一定程度上的51%攻擊，比如要攻擊peercoin, 需要從市場(chǎng)中購買51%的所有peercoin，這種操作性不強(qiáng)。當(dāng)然，權(quán)益證明的優(yōu)點(diǎn)是不需要消耗資源，產(chǎn)生塊的時(shí)間被限定在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，交易費(fèi)透明經(jīng)濟(jì)。當(dāng)然它的最大優(yōu)勢(shì)就是在權(quán)益證明網(wǎng)路中，主要的權(quán)益擁有者有能力進(jìn)行任何改變而不需要整個(gè)社區(qū)的認(rèn)可， 但是也是最大的問題：他們的壟斷控制。這會(huì)在一定程度上破壞分布式賬簿的加密貨幣的初衷，因?yàn)榇嬖谝欢ǔ潭壬系臋?quán)威。但是這種危險(xiǎn)可以通過真正意義的去中心化網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。

 

 

　　這種機(jī)制算法以Bitshares為代表, 只不過是權(quán)益證明算法一種方向的演化，是Dan Larimer 在2014年4月對(duì) Proof Of Stake 進(jìn)行一定程度的創(chuàng)新。 它通過使用聲譽(yù)系統(tǒng)(reputation)和無耗損的實(shí)時(shí)投票來創(chuàng)建，這些參與方有權(quán)創(chuàng)建塊并且添加到區(qū)塊鏈，并禁止不信任參與者參與，重要的是也不需要太多的信任。它的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是快速獲取共識(shí)。

 

 

　　這里主要以Ripple為例講它的Proof of Consensus。Bitcoin 雜志是2013年2月由Vitalik Buterin 詳細(xì)的介紹它的全貌，但其真正用于實(shí)際部署共識(shí)證明算法則是2014年。它是

 

　　一種高效的能每隔幾秒應(yīng)用到所有節(jié)點(diǎn)以便維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效性和一致性。 一旦達(dá)成共識(shí)，當(dāng)前賬簿 “關(guān)閉”并成為最后關(guān)閉的賬簿。當(dāng)然這個(gè)關(guān)閉的賬簿在網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)維護(hù)將是相同的。在Ripple 共識(shí)證明算法中，節(jié)點(diǎn)可以 人工干預(yù)投票和 維持trust not list ，易于遭受攻擊。 比如偽造node, 擴(kuò)散大量候潛伏，等待時(shí)機(jī)攻破所有網(wǎng)格。當(dāng)然其優(yōu)勢(shì)就是產(chǎn)生區(qū)塊。Ripple 也不需要大量計(jì)算的。它的維護(hù)成本高，可以人工維護(hù)節(jié)點(diǎn)， 也有改動(dòng)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。自然它可以采用手工干預(yù)，剔除網(wǎng)絡(luò)中不安全節(jié)點(diǎn)。這樣網(wǎng)絡(luò)就分成兩部分。犧牲了自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，保證可信的節(jié)點(diǎn)不被攻擊。

 

 

　　這個(gè)算法最初出現(xiàn)在MIT的Miguel 和 Barbara Liskov 的學(xué)術(shù)論文中，初衷是為一個(gè)低延遲存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng) ,降低算法的復(fù)雜度， 這可以應(yīng)用于不需要大的吞吐量但需要許多事件處理的數(shù)字資產(chǎn)平臺(tái)， 它允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)布公鑰。 任何通過節(jié)點(diǎn)的消息都由節(jié)點(diǎn)簽名，以驗(yàn)證其格式。 一旦達(dá)到相同的足夠的響應(yīng)，則可以同意這是個(gè)有效的交易。使用PBFT，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)(N)節(jié)點(diǎn)的可以承受(f)個(gè)拜占庭節(jié)點(diǎn)，其中f =(N-1)/ 3。 換句話說，PBFT確保至少2 * f + 1個(gè)節(jié)點(diǎn)在將信息添加到分布式共享賬簿之前達(dá)到 共識(shí)。目前HyperLedger聯(lián)盟和中國(guó)ChinaLedger 聯(lián)盟在研究和驗(yàn)證這個(gè)算法的實(shí)際部署和應(yīng)用。但這個(gè)算法在信息保密方面有欠缺，比如失效的副本有可能讓黑客截取而導(dǎo)致信息外泄。

 

 

　　我們認(rèn)為針對(duì)區(qū)塊鏈的共識(shí)算法，可以采用以下5個(gè)要點(diǎn)作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

 

 

　　這是區(qū)塊鏈的最具特色的優(yōu)勢(shì)。一般講，區(qū)塊鏈共識(shí)算法必須包含去中心化，有時(shí)也有程度的不同。

 

 

　　共識(shí)算法在考慮網(wǎng)絡(luò)成本時(shí)，不僅僅要考慮交易成本和維護(hù)成本，也要考慮挖礦成本。昂貴費(fèi)時(shí)的算法只能優(yōu)化再優(yōu)化，簡(jiǎn)化再簡(jiǎn)化, 以滿足平臺(tái)和應(yīng)用需求。

 

 

　　Sunny King 非?？粗剡@一點(diǎn)，認(rèn)為這一點(diǎn)將是評(píng)估共識(shí)算法處理能力的主要指標(biāo)。從當(dāng)前現(xiàn)實(shí)部署看，單一的區(qū)塊鏈負(fù)載嚴(yán)重，每秒鐘處理能力有限，比如Bitcoin上的區(qū)塊鏈現(xiàn)在出力能力是平均每秒4筆交易左右，而Ethereum也是15筆每秒，這與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需求差距頗大。所以在擴(kuò)展性指標(biāo)方面，我們需要考量這種共識(shí)算法是否在技術(shù)上能夠運(yùn)行數(shù)千區(qū)塊鏈的可行性。 而且在運(yùn)行數(shù)量龐大的區(qū)塊鏈后，消耗的網(wǎng)絡(luò)成本也是可控的。

 

 

　　在過去一年中，基于比特幣的區(qū)塊鏈在交易確認(rèn)方面平均在25分鐘有時(shí)也有好幾天的等候。Ethereum平均在15分鐘左右, Peercoin 交易確認(rèn)速度平均為10分鐘左右。 而在金融領(lǐng)域，交易確認(rèn)速度要體現(xiàn)快而又精準(zhǔn)，“平均”的交易確認(rèn)速度依舊會(huì)延長(zhǎng)全天的清算完成。而在在線購物中，客戶能否容忍10到數(shù)百分鐘的等待確認(rèn)成交?因此在區(qū)塊鏈共識(shí)算法的設(shè)計(jì)架構(gòu)中，需要一個(gè)精準(zhǔn)范圍內(nèi)的交易確認(rèn)速度。

 

 

　　安全機(jī)制首要防止可能的攻擊，而攻擊主要是考慮5點(diǎn)：攻擊的類型(DoS攻擊，盜取和Double -Spending)、攻擊使用的成本多大、攻擊的范圍和目標(biāo)的損害程度、攻擊的持續(xù)性和網(wǎng)絡(luò)修復(fù)反應(yīng)的速度，最后一點(diǎn)就是算法機(jī)制的總體攻擊的可能性。

 

　　其次就要考慮算法的容錯(cuò)能力，一般來講，如果采用分布模塊化分層應(yīng)用設(shè)計(jì)方式，容錯(cuò)的能力就能極大提升，這樣也在抗攻擊方面處于有利地位。

 

 

　　基于前面一節(jié)所講的區(qū)塊鏈共識(shí)算法評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，目前現(xiàn)行的共識(shí)算法都需要革新和改進(jìn)。比如Primecoin 也是首次采用非Hashcash 工作證明算法，是一種素?cái)?shù)工作證明方式?？紤]到龐大的工作量，本文不對(duì)提到的共識(shí)算法進(jìn)行詳盡的5大要點(diǎn)評(píng)估。 基于工作證明的共識(shí)算法會(huì)逐步緩慢退出市場(chǎng)，而那些不消耗能源的共識(shí)算法會(huì)繁榮， 這是一種長(zhǎng)期的發(fā)展趨勢(shì)。(但Bitcoin由于其的原創(chuàng)性和歷史性會(huì)繼續(xù)存在和發(fā)展的。)

 

　　未來創(chuàng)新在于降級(jí)共識(shí)算法的復(fù)雜度， 同時(shí)在于進(jìn)一步完善和使其透明簡(jiǎn)單化。2017年也會(huì)有大量的初創(chuàng)公司誕生，基于社會(huì)工業(yè)需求的渴望，也會(huì)加速設(shè)計(jì)新的區(qū)塊鏈共識(shí)算法，從概念理論提出，到實(shí)際部署驗(yàn)證和運(yùn)作，速度可能超過預(yù)期，我們對(duì)此非常樂觀。