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1、区块链核心技术演进之路-共识机制演进般而言，在介绍区块链时经常会提到两个例子：一是由古老的记账模式延伸到分 布式账本，二是拜占庭将军问题（Byzantine Generals Problem）。使用分布式账 本目的是让每个节点都能够验证交易，而拜占庭将军问题与账本的一致性有关，即 本文要讨论的共识机制（Consensus ）。区块链上的共识机制主要解决由谁来构造区块，以及如何维护区块链统一的问题， 该问题的理论基础是拜占庭容错（Byzantine Fault-Tolerant，BFT ）。BFT从上世 纪80年代开始被研究，目前已经是一个被研究得比较透彻的理论，存在解的前提 条件及具体实现都已
2、有现成算法。不过本文不打算从BFT说起，因为要分析的是区 块链共识机制的演进过程，而中本聪并没有采用BFT。其实在我研究比特币伊始， 即便在理解了 POW机制之后的很长一段时间内，并不了解拜占庭将军问题。后文 分析HyperLedger Fabric的PBFT以及小蚁项目的DBFT时再全面阐述拜占庭将 军问题及传统分布式一致性算法（PAXOS、RAFT ）。共识机制的核心是区块的构建和检验，POW系统构建区块的过程一般称为“挖矿” （mine），POS系统PPC的区块构建方式一般称为“铸造”（mint ），而NXT的区块构建方式一般称为“锻造”（forge）。POW共识机制在以前一般被称为证明
3、方式（Proof），因为比特币采用工作量证明（即 Proof-Of-Work，简写为POW ）。随着大家对分布式账本一致性问题的不断探索， 很多方法被提出来，尤其近期有很多区块链项目回归了对传统BFT算法的改进，在 思路上已经跳出了“证明”的语义，因此进一步高度概括为共识机制。我记得第一 次碰到工作量证明这一概念时感到很费解，对这种表述方式很头疼，掌握了 POW 机理后才真正明白，通俗讲就是“通过工作以获得指定成果，用成果来证明曾经付 出的努力”。其实我们日常工作生活中经常使用工作量证明，比如学生考试成绩， 毕业证以及驾照等，这种证明方式的一个显著特征是往往需要很大的工作量才能拿 到指定成果，
4、但这个成果很容易验证。因为我们一般很难去实时监督一个人是否真 的付出了这些工作量，所以只能使用工作量的结果来证明。再回至U比特币的设计思路，中本聪已经使用非对称密码解决了电子货币的所有权问 题，用区块时间戳解决了交易的存在性问题，用分布式账本解决了剔除第三方结构 后交易的验证问题，剩下需要解决的问题是双重支付，这要求所有节点账本统一， 而真正的平等又必须赋予人人都有记账的权利，记账是一件简单的事情，每个人都 可以做，显然最终会存在众多大同小异的账本，但我们只需要其中的一个账本就够 了。中本聪想到给记账加入成本，总账本由各个分页按照时间先后排序，给每个账本分 页设立一个评判标准，以区分账本分页是
5、否合格，这给记账增加了难度，同时给每 个账本分页加入一个随机元素，用以调节记账难度以保证一定时间段内只有一个人 生成合格的账本分页。增加的成本就是工作量，合格的账本分页就是工作量证明。对于比特币而言，所谓的账本分页就是一个区块，区块通过巧妙设计形成区块链， 合格的区块可以表述为：F(Non ce) Target其中Nonce是随机元素/Target是合格区块的量化每个记账节点的Target 致。 此外POW的成功运行还需要配合如下两条约定，Best chain原则：将最长的链条视为正确的链条。激励原则：找到合格的区块有奖励收益。第1条约定为硬性规则，无条件遵守，大家要么不玩，要玩就遵守这条原则
6、，毕竟 共同的目标是找到一致性账本，而最长的链条代表最大的工作量，如果没有这条约 定，每个人都只会构造自己的区块链，无法统一。第2条为工作量激励，既然记账 有成本，那唯有收益才能驱动大家都去记账，参与记账构造区块变成投资行为，其 成本和收益风险在第1条约束下形成博弈，驱动所有节点按约定规则老老实实够造 区块，最终达到纳什均衡。具体实现方式，比特币采用哈希(Hash )算法，关于哈希算法的原理和特点在前一 篇文章(挖矿演进)已经详细讨论。逻辑上比特币是对整个区块进行哈希运算，但 真正实现并非将整个区块数据作为哈希函数的参数，区块大体可分为区块链头和交 易列表两部分，交易列表通过构造成Merkle
7、树最终浓缩成Merkleroot内置于区 块头，区块头只有6个字段，共80字节，如此设计首先带来的好处是方便哈希运算，每次运算只需要80字节的参数输入，而不是整个区块的数据，但交易列表的任何变化又能体现在哈希运行结果上。h 申曲 xltumeh&ih meric区块头(blockheadFr)交易列S!A90TOTM4区块(block)比特币采用SHA256哈希运算，且每次都是连续进行两次SHA256运算才能作为 最终结果，前一次运算的结果作为后一次运算的输入，即Double SHA256，一般 简称SHA256D，扩展上面的公式，比特币合格区块判断依据如下：SHA256D( nV ersio
8、 n,hashPreBlock,hashMerkleRoot, nTimes, nBits,No nce)vMAXTARGET/Diff其中式子左边的6个参数（区块头）在前一篇文章已经解释，MAXTARGET为最大 目标值，常量；Diff代表难度，全网难度一致。MAXTARGET/Diff即通常所说的当 前目标值。很显然，POW的核心要义为：算力越大，挖到块的概率越大，维护区块链安全的 权重越大。相对其他共识机制而言，POW逻辑简单，容易实现，容错达50%，其 安全有严格的数学论证。POSPOW并非完美，其中被指责最多的主要有两点，一是浪费能源，二是风险和收益 博弈必然导致联合挖矿，而大算力矿
9、池可能会对系统的去中心化构成威胁。于是在2011年，一名为Quantum Mechanic的数字货币爱好者在Bitcointalk 论坛提出Proof-of-Stake（ POS ）证明机制，该机制被充分讨论之后证明具有可行 性。如果说POW主要比拼算力，算力越大，挖到一个块的概率越大，POS则是比 拼余额，通俗说就是自己的手里的币越多，挖到一个块的概率越大。POS合格区块 可以表述为：F（Timestamp） Target * Bala nee与POW相比，式子左边的搜索空间由Nonce变为Timestamp，Nonce值域是无 限的，而Timestamp极其有限，一个合格区块的区块时间必须
10、在前一个区块时间 的规定范围之内，时间太早或者太超前的区块都不会被其他节点接纳。式子右边的 目标值引入一个乘积因子余额，可见余额越大，整体目标值(Target * Bala nee) 越大，越容易找到一个区块。因为Timestamp有限，POS铸造区块成功率主要与 Bala nee 有关。POS只是代表一种共识机制理念，具体有多种实现方式，下面重点解析两种比较经 典的实现思路。PeereoinPeereoin(点点币,PPC)于 2012年8月发布，最大创新是其采矿方式混合了 POW 工作量证明及POS权益证明方式，其中POW主要用于发行货币，未来预计随着挖 矿难度上升，产量降低，系统安全主要
11、由POS维护。目前区块链中存在两种类型的 区块，POW区块和POS区块。PPC的作者为同样不愿意公开身份的密码货币极客 Sunny King，同时也是Primecoin的发明者。要掌握Peercoin的POS机制，需要重点理解Sunny King专门为PPC设计的几个 核心概念 Coinstake Kernel Stake Modifier Modifier Interval Stake Reward， Coin age 等。Coinstake为了实现POS ,Sunny King专门设计了一种特殊的交易叫Coinstake ,Coinstake 的设计借鉴于中本聪的Coinbase设计。本质
12、上Coinbase和Coinsake都是一笔 交易，只是对他们的输入输出做了一些硬性限制。而Coinstake的设计又需要有别于Coinbase，这样才不会扰乱系统原有的POW 机制，简单对比一下两者结构上的不同，Coinbase结构要求：输入数量必须等于1，且输入的prevout字段（指定前一笔交易的输出）必须置空 值。输出数量必须大于等于1。output 0pretx.kernekoutputOinput 打coinstake.odtputlinput n*验岀麹量大于尊于2.第一个諭出愿须置空输入数屋大于尊于1,且第一亍输入的prevout 字段不能为空，即要求Kernel必须存在-判斷
13、合格区块时,难度目标值只与Kernel的币龄有关“计算权益收益时，按逼所有辎入的币龄总和计算Coins take结构要求：输入数量大于等于1，且第个输入的prevout字段不能为空，即要求Kernel必须存在。输出数量大于等于2，且第一个输出必须置空值。这两种特殊交易在区块链中存放的位置也有特殊要求，中本聪规定每个区块的第一笔交易必须放置Coinbase，反之，Coinbase不能出现在区块的其他位置。SunnyKing显然不想破坏这个规则，他增加了一条规则，对于POS区块，第二笔交易必须放置Coinstake，反之，Coinstake不能出现在其他地方。换言之，只要第二笔 交易是Coinst
14、ake，那么这个区块就当POS区块来处理。Coinbase和Coinstake都不会被单独广播，而只存在于区块中，因此客户端节点般都不允许进入内存池，当花费这两种交易时，都需要检测是否已经成熟。Kernel ProtocalCoinstake的第一个输入(Input 0)叫Kernel , Kernel在POS机制里确实起到核心 作用，合格区块的判定与之息息相关。PPC合格区块判断条件为：SHA256D( nStakeModifier + txPrev.block. nTime + txPrev.offset + txPrev. nTime + txPrev.vo ut.n + n Time)
15、 bn Target * n Coi nDayWeight 式子左边的每一个参数都有明确的设计目的，其中，:专门为POS设计的调节器，按照以上公式，如果没有参数 nStakeModifier，当一个人收到一笔币得到网络确认之后，他立即就能提前计算得 知自己在未来何时可以锻造区块，这显然不符合设计目标，Sunny King希望POS 矿工和POW矿工一样做盲目探索，以实时在线维护区块链，nStakeModifier的设 计就是为了防止POS矿工提前计算。nStakeModifier可以理解为POS区块的一个 属性，每一区块对应一个 nStakeModifier值，但nStakeModifier并不是每个 区块都变动，不过协议规定每隔一定时间(Modifier Interval)必须重新计算一次， 取值与前一个nStakeModifier以及最新区块哈希值有关，因此POS矿工无法提前 计算，因为他不知道未来的区块哈希值。也就是说，在PPC系统中，除了存在区块链，币链(币的交易签名历史)，还隐藏 着一个很少被提及的链条一益调节器链条。值得一提的是，Sunny King是在PPC后来的版本才加入这个调节器的，一开始他 使用nBits。txPrev :Kernel对应的前一笔交易。txPrev.block.nTime : txPrev所在区块的时间戳，
