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发布于 1周前 阅读量 4999

「区块链通识课」:大话区块链的共识机制 | 第13讲

你好,欢迎收听由币圈推出的《区块链通识课50问》。

在比特币的区块链中,由谁来记录区块信息非常重要,因为这涉及到区块的生成,和新比特币的开采。因为负责记录的人,会获得丰厚的奖励,所以在矿工之间,就必须达成一个共识。

共识问题自古以来就是困扰人类的难题之一。

在计算机学界,存在一个所谓的“中国将军问题”,也被称为两军问题,它是这么描述的:两支驻扎在不同地点的军队分别由一名将军指挥,如果两个将军必须通过传令兵传递消息,才能达成共同进攻或撤退的决定。两军合力才可以战胜敌人,否则只有失败或撤退。问题出在传令兵上,一方派往另一方的传令兵可能永远到达不了,一种可能是被敌军捉住,另一种可能是被险恶的地形困住。因此,除非是巧合,这两位将军是不可能达成一致的。他们二人只能凭借对另一人战略战术的了解做猜测,才能做出决定。

关于猜测,在刘慈欣的科幻小说《三体》中,大刘也分析了宇宙文明间存在的猜疑链。大刘通过主人公罗辑,阐述了宇宙的两条公理:一、生存是文明的第一需要;二、文明不断增长和扩张,但宇宙中的物质总量保持不变。然后又道出了宇宙的秘密:宇宙就是一座黑暗森林,每个文明都是潜行于林间的持枪猎人。林中到处是这样的猎人,如果一个文明发现了另外一个文明,他只有一个选择,将其消灭。

为什么宇宙的秘密如此黑暗呢?咱们可以假想一个最基本的模型,假设地球探测到火星内部有一个高度发达的文明,在没有交流之前,我们是无法判断火星人是否具有善意。假如人类向这个文明发出了邀请函。收到邀请函的火星文明同样也会犯难,他们也无法判断地球人是否真的怀有善意。这样在两者之间就形成了猜疑链,无法形成信任。

猜疑链正是阻挡两方达成合作共识的罪魁祸首。双方彼此之间的猜测,是一个典型的博弈过程,双方都想将自己的利益最大化,结果造成任何一方都会成为猎物。博弈论的创始人是大名鼎鼎的冯·诺依曼,他不仅是博弈论的创始人,也是现代计算机结构的发明人,同时也是一位卓越的数学家,还参与过曼哈顿工程,研究过原子弹。后人在冯诺依曼的理论基础上开发出了多种模型,其中之一是广为流传的“囚徒困境”:两名犯人接受隔离审问,犯人被告知,如果一人坦白,另一人不坦白,坦白的人就会无罪释放,不坦白的人就判5年;两人都坦白,各判3年;两人都不坦白,各1年。可以设身处地的从一名囚犯的角度进行考虑:他的判决结果完全取决于另一人是否坦白,如果另一人选择坦白,他为了避免5年的最大惩罚,最好也选择坦白;如果另一人不坦白,那么为了能无罪释放,最好也选择坦白。两名囚犯都这么思考,结果两人都轻易坦白了。这就是典型的在存在猜疑的情况下,个人的理性选择,造成了集体的非理性。

图灵奖得主莱斯利·兰伯特受到了“两军问题”的启发,又编了一个“拜占庭将军问题”的故事:

拜占庭帝国是东罗马帝国的别称,因为首都君士坦丁堡位于希腊城邦拜占庭的旧址,所以又被成为拜占庭帝国。帝国后期内乱不断,一群将军领兵围困了一座敌城。与两军问题类似,他们也必须靠传令兵传递信息,才能达成统一的行动:要么一起进攻,要么一起撤退。假设传令兵一定能将信息送达,但是将军中可能存在一个或多个叛徒,叛徒会派传令兵发送假信息,从而人为地制造猜疑。叛徒向其他将军发送的信息是不一样的,有进攻的提议,也有撤退的提议,这时不能达成一致的错误,叫做“拜占庭错误”。如果叛徒发送了假信息,传令系统仍能达成一致性,则称该系统具备“拜占庭容错”。

拜占庭将军问题在不同条件下,是否存在解决方法,可以破解猜疑和信任的难题呢?

总的说来,拜占庭将军问题,可以分为口头通讯和书面通讯。

如果采用口头通讯,拜占庭将军问题有解的条件是叛徒将军的数量不能超过将军总数的三分之一。因为达成共识的原则是少数服从多数,那么最小模型的将军总数是3。假设有3位将军甲乙丙,三人中有一人是叛徒:当甲发出“进攻”命令时,乙如果是叛徒,他会告诉丙,他收到的是“撤退”的命令。这时丙收到一个“进攻”,一个“撤退“,于是丙无法判断哪道命令是真的;如果甲是叛徒,他告诉乙“进攻”,告诉丙“撤退”。当丙告诉乙,他收到“撤退”命令时,乙由于从甲收到“进攻”的命令,因此乙是无法判断该如何行动的。

在符合有解的条件下,每位将军只要根据收到的口信,根据多数原则做决策就行了。

如果拜占庭帝国的国王给每个将军发了一个不同的印章,将军们可以利用印章确定通信中的将军身份,将军可以对其它人的印章进行验证。有了这些印章,每位将军分别给其他将军发送书信,并在书信上附上自己盖印;其他将军收信后,附上自己的印章后再发给所有其他将军;最终,每位将军根据收到的书信进行决断。这样就能杜绝叛徒给每个人发送不同信息。但是对于这种书面信息,实物的印章是靠不住的,伪造发生的可能性很高;国王的存在实际是一个高度可信的第三方,不符合去中心化的特征。最好这可以用一个客观的理论代替印章和国王,实现真正的分布式共识。这个理论具备数学公理般牢不可破的特性,比国王更让人信任。

这个理论就是中本聪所采用的工作量证明(Proof of Work)。

在前面的课程中,我们知道了区块链的本质是人手一册的账本,每隔一段时间,就会有人将这段时间之内发生的交易都记录下来。比特币的做法,是让大家做一道猜数字抢红包的题目,由猜中的人记录信息,其余的人复制他记录的信息。

因此,比特币的做法是将共识问题转换成了计算能力的问题,谁的计算能力强,就能做出更多的猜测,从而蒙对正确答案的可能性越高。

在现在的区块链系统中,共识机制除了工作量证明,流行的还有权益证明(Proof of Stake)和权益授权证明(Delegated Proof of Stake),下一讲我们来逐一破解。

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