什么是区块链的共识机制?

要理解共识机制,首先需要明白什么是共识。我们生活在一个多元化的世界,不存在一模一样的两片树叶,也没有完全相同的两个人。所谓共识,就是一群具有各方面差异性的人在某方面达成了一致意见,并将其上升成为共同遵守的规则。


人类文明的发展与繁荣离不开社会群体内个体间的分工协作,而如何分工,如何决策,如何分配成果并奖惩,则全都仰赖一个公认的的规则,或者叫共识。所谓共识机制指的是一个群体用以达成并维护共识的方式,共识机制往往决定着群体的组织形式。人类文明的早期阶段,武力是各群体建立和维护共识规则的主要方式,人类依托武力建立了部落、国家等中心化管理权威,制定了中心化的管理规则并惩罚不接受规则的个体。


当然,随着文明的发展与演进,我们开始制定法律、设计选举、引入协商与仲裁机制,这成了公司、协会、政府、学校等社会团体达成与维系共识的方式,但这一切文明做法的背后依旧仰赖庞大的国家暴力机器支撑。人类文明选择通过武力建立中心化权威以构建与维护群体共识,不仅因为在文明早期这一方式最为快捷,更由于依靠中心化权威的管理方式更加高效和稳固。然而,中心化并非唯一可行的方案,只要我们能够提出一种同样安全稳固便捷而并无需依托中心化权威的共识机制,同样可以建立一套与之相对应的全新组织形式。


区块链技术的出现恰恰提供了这样的选择,只不过这套去中心化逻辑所依托的并非现实世界而是相对轻量化的网络环境。共识机制作用的对象也不是个人而是一台台所属权各异的计算机,通过区块链共识机制的应用,可将分散在世界各处的计算机集合至一个统一的网络实现大规模的机器协作,下面我们将从技术的角度对区块链的共识机制进行详细拆解。


区块链作为一种点对点的协作网络,其原理是各节点均掌握一个独立的账本,通过保持账本同步来实现共同记账,而在没有一个中心进行指挥和协调同时网络状态复杂多变的情况下,如何保证空间上完全分散的各节点账本能够完全相同,这就要用到区块链的共识机制了。


以比特币为例,我们尝试来讨论一个典型的区块链系统的账本记账过程,其公共账本上记录着比特币网络中每时每刻都在发生的转账交易,但这些转账信息并非即刻被写入账本,而是每隔一段时间进行一次统一记账。每次记账会在账本上新生成一个区块,区块中不仅记录了若干条转账记录,还包含了诞生时间、上一个区块摘要等内容,通过这种方式,账本上各个区块间可依照时间顺序形成链状结构。


之所以选择这种区块式的记账方式而非所有节点即时记录所有信息,是由于在整个去中心化的系统中,考虑到不同节点间网络状态以及空间位置的差异,无法做到数据完全同步,通过结构化数据包的方式可以保证各节点记录结果的正确性。


而对于每一个新生的区块,基于几乎同样的原因,各节点分别记录的方法并不足以保障账本的唯一性。针对这一问题,区块链网络中所选择的应对方法是采取某种可自动执行的竞争手段选中一个唯一节点首先打包数据生成区块并记录到自身账本,然后由这个被选中的节点将新生产的区块数据通过互联网通知其他节点,其他节点在收到信息并验证区块无误后,同步记录在自己的账本上,以上就是一次完整的去中心化的分布式记账过程。
共识机制在这个过程中重点解决两个问题:一是完全对等的节点之间如何竞争记账权,链技术发展至今,已经有多种竞争记账权的办法,我们稍后详细介绍。第二个可能情况是在实际操作中,由于网络延时等原因,偶尔会出现两个节点均认为自己获得了记账权而去打包区块并通知其他节点,其他节点会将首先收到的通知记录下来而忽略另一个,考虑到两次通知时间间隔较小,必然会造成所有节点账本的写入不一致。

对于这种情况,区块链网络的解决办法是暂时性接受这种链条分叉的状态,根据后续若干区块打包节点的记录为准。这种保留最长链的方式能够保证在复杂网络环境下多节点依然能够记录一个权威的账本。


现存独立的区块链网络有上百条,所用的共识机制大同小异,主要区别体现在上文的所述竞争记账方法,因而我们常常也用竞争记账的方式来命名不同的区块链共识机制。最为常见的有POW、POS、DPOS等。


POW(工作量证明)被比特币、以太坊等很多币种采用,其竞争记帐逻辑是各个节点竞争计算一个随机数,要得到这个随机数,必须经过一定的工作量。这一方法简单粗暴却极为有效,但常常因为耗费能源、易节点集中而被诟病。


POS(权益证明)则是通过节点持有代币的数量乘以持有时间分配记账权益,记账权益越高获得记账权概率越大,这种竞争方法的实现对于技术要求较高,且容易成为富翁节点的游戏。


DPOS(股份授权证明)共识机制的竞争记账逻辑类似于人民代表大会制度,代币持有者拥有相应额度的投票权,投票选出的节点拥有轮流记账权。采用DPOS的区块链项目最为著名的是EOS,这一共识机制最显著优势在于效率极高同时更加符合目前人们的接受习惯,但劣势同样明显,主要体现在中心化程度最高,很多人认为其违背了区块链的初衷。

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发布于 2022-03-01 00:00:00
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