比特币区块链的原理和共识机制的那些事,读此文就够了


据比特币白皮书

完全不可逆转的交易实际上并不可能,因为金融机构不能避免仲裁争议。仲裁成本增加了交易成本,进而限制了最小可能交易的规模,且干脆阻止了很多小额支付交易。除此之外,还有更大的成本:系统无法为那些不可逆的服务提供不可逆的支付。逆转的可能性,造成了对于信任的需求无所不在。商家必须提防着他们的顾客,麻烦顾客提供若非如此(如若信任)就并不必要的更多信息。一定比例的欺诈,被认为是不可避免的。这些成本和支付不确定性,虽然在人与人之间直接使用物理货币支付的时候是可以避免的;但,没有任何一个机制能在双方在其中一方不被信任的情况下通过沟通渠道进行支付。

比特币白皮书

比特币区块链的原理和共识机制的那些事,读此文就够了

我们真正需要的是一种基于加密证明而非基于信任的电子支付系统,允许任意双方在不需要信任第三方的情况下直接交易。算力保障的不可逆转交易能帮助卖家不被欺诈,而保护买家的日常担保机制也很容易实现。在本论文中,我们将提出一种针对双重支出的解决方案,使用点对点的、分布式的时间戳服务器去生成基于算力的证明,按照时间顺序记录每条交易。此系统是安全的,只要诚实节点总体上相对于相互合作的攻击者掌握更多的 CPU 算力。

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交易 (Transactions)机制

我们将一枚电子硬币定义为一个数字签名链。一位所有者将一枚硬币交给另一个人的时候,要通过在这个数字签名链的末尾附加上以下数字签名:上一笔交易的哈希(hash,音译,亦翻译为“散列值”),以及新所有者的公钥。收款人可以通过验证签名去验证数字签名链的所属权。

比特币白皮书

比特币区块链的原理和共识机制的那些事,读此文就够了


白皮书中构想的几个要素

  1. 时间戳服务器 (Timestamp Server)

  2. 工作证明 (Proof-of-Work)

  3. 网络 (Network)奖励 (Incentive)

  4. 回收硬盘空间 (Reclaiming Disk Space)

  5. 简化版支付确认 (Simplified Payment Verification)

  6. 价值的组合与分割 (Combining and Splitting Value)

  7. 隐私 (Privacy)

  8. 计算 (Calculations)


区块链的共识机制

在之前的文章简单介绍了什么叫区块链白话说区块链和比特币,你看了此文就知道什么叫区块链和比特币了

喧嚣求静,公众号:1024突破魔咒白话说区块链和比特币,你看了此文就知道什么叫区块链和比特币了

由于比特币底层技术是区块链的,节点间都是通过网络相互信任和验证交易的,因为去“中心化”,用户与用户之间、用户与机构之间、机构与机构之间,无需建立彼此之间的信任,只需依靠区块链协议系统就能实现交易。

所谓“共识机制”,就是通过特殊节点的投票,在很短的时间内完成对交易的验证和确认;当出现意见不一致时,在没有中心控制的情况下,若干个节点参与决策达成共识,即在互相没有信任基础的个体之间如何建立信任关系。区块链技术正是运用一套基于共识的数学算法,在机器之间建立“信任”网络,从而通过技术背书而非中心化信用机构来进行全新的信用创造。

比特币区块链的原理和共识机制的那些事,读此文就够了


共识机制有5种常用算法

工作量证明机制(PoW)




简单理解就是一份证明,用来确认你做过一定量的工作,通过对工作的结果进行认证来证明完成了相应的工作量。工作量证明机制具有完全去中心化的优点,在以工作量证明机制为共识的区块链中,节点可以自由进出,并通过计算随机哈希散列的数值解争夺记账权,求得正确的数值解以生成区块的能力是节点算力的具体表现。

优点:易实现,节点间无需交换额外的信息即可达成共识,破坏系统需要投入极大的成本。

缺点:浪费能源,区块的确认时间难以缩短;共识达成的周期较长,不适合商业应用






权益证明机制(POS)




权益证明机制(Proof of Stake),要求证明人提供一定数量加密货币的所有权。权益证明机制的运作方式是,当创造一个新区块时,矿工需要创建一个“币权”交易,交易会按照预先设定的比例把一些币发送给矿工本身。权益证明机制根据每个节点拥有代币的比例和时间,依据算法等比例地降低节点的挖矿难度,从而加快了寻找随机数的速度。


优点:解决了PoW 消耗算力的问题,在一定程度上缩短了共识达成的时间


缺点:拥有权益 的参与者未必希望参与记账,还是需要挖矿。






授权股权证明机制(DPoS)




授权股权证明机制(Delegated Proof of Stake),与董事会投票类似,该机制拥有一个内置的实时股权人投票系统,就像系统随时都在召开一个永不散场的股东大会,所有股东都在这里投票决定公司决策。授权股权证明在尝试解决传统的PoW机制和PoS机制问题的同时,还能通过实施科技式的民主抵消中心化所带来的负面效应。基于DPoS机制建立的区块链的去中心化依赖于一定数量的代表,而非全体用户。在这样的区块链中,全体节点投票选举出一定数量的节点代表,由他们来代理全体节点确认区块、维持系统有序运行。同时,区块链中的全体节点具有随时罢免和任命代表的权力。如果必要,全体节点可以通过投票让现任节点代表失去代表资格,重新选举新的代表,实现实时的民主。


优点:缩小参与验证和记账节点的数量,从而达到秒级的共识验证


缺点:无法摆脱对于代币的依赖,不能完美解决区块链在商业中的应用问题




Ripple Consensus(瑞波共识算法)




瑞波共识算法使一组节点能够基于特殊节点列表形成共识。初始特殊节点列表就像一个俱乐部,要接纳一个新成员,必须由该俱乐部51%的会员投票通过。共识遵循这些核心成员的“51%权利”,外部人员则没有影响力。由于该俱乐部由中心化开始,它将一直是中心化的,而如果它开始腐化,股东们什么也做不了。与比特币及Peercoin一样,瑞波系统将股东们与其投票权隔开,因此,它比其他系统更中心化。






PBFT:Practical Byzantine Fault Tolerance(实用拜占庭容错算法)




在分布式计算上,不同的计算机通过信息交换尝试达成共识,但有时候,系统中的协调计算机或者成员计算机可能因系统错误,而交换错误信息,以致影响最终的系统一致性。对于拜占庭将军问题,若根据错误计算机的数量,寻找可能的解决办法,这其实无法找到一个绝对的答案,只可以用来验证一个机制的有效程度。使用拜占庭容错机制是一种采用“许可投票、少数服从多数”来选举领导者并进行记账的共识机制,该共识机制允许拜占庭容错,允许强监督节点参与,具备权限分级能力,性能更高,耗能更低,而且每轮记账都会由全网节点共同选举领导者,允许33%的节点作恶,容错率为33%。








文章:参考了比特币白皮书等网络技术

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