比特币系统中工作量证明的挑战是什么？ 【图片】

就业证明

最常见的区块链共识算法是比特币的工作量证明机制。 它有两个主要作用：一是确保区块链的下一个区块是唯一正确的区块，二是防止强大的对手干扰区域。 区块链系统因此导致区块链的分叉。

在工作量证明中，矿工竞争解决密码问题，完成下一个区块的添加并扩展区块链。 图 1 显示了比特币工作量证明的简化图； 该块的散列和随机位串用于计算散列值。 如果输出的哈希值满足前几位为0，则问题解决。 ***解开谜题的人有机会扩大区块，可以获得一定数量的新开采的比特币和少量的交易手续费作为工​​作量的奖励。

比特币的工作量证明机制虽然是一个非常好的共识设计，但并不完美。 工作量证明最常见的质疑有两个：一是算力巨大，不适合大规模系统，交易确认时间需要10-16分钟，不能满足实时性要求； 二是大部分挖矿活动都集中在电力成本较低的地区，形成了局部集中的趋势。

图1 比特币系统工作量证明示意图

比特币的创造者中本聪让人们意识到区块链在未来改变世界的巨大潜力。 然而，要实现特定的应用，还需要进一步探索更快、更去中心化、更节省资源的共识算法。 为此，互联网、计算机科学、金融、工业等行业的众多学者和行业人士进行了不断探索，提出了很多可供选择的区块链共识解决方案。 最大的影响是权利证明。 Stake）共识算法。

股权证明

权益证明共识是取代工作量证明的最完整和最受好评的共识机制。 其共识不要求参与者投资昂贵的计算机设备来竞争挖矿。 与以比特币为代表的工作量证明共识体系中的矿工相比，在基于权益证明共识的区块链体系中，参与者的角色是验证者。 他们只需要投入系统的代币，在一定时间内验证你是否是下一个区块的创建者后，就可以完成下一个区块的创建。 图 2 显示了股权证明的简化示意图。 下一个区块的创建者是通过某种方式选出的，被选出的验证者将合适的交易打包成一个区块并发布在区块链上。 验证者被选为下一个区块的创建者的概率与他在系统中拥有的代币数量成正比。 简单来说，拥有 300 个代币的验证者被选为下一个区块的创建者的可能性是拥有 100 个代币的验证者的 3 倍。

由于权益证明中的区块创建不需要计算资源等高成本，因此区块创建者不会获得区块奖励，但会收到一定数量的交易打包费。 使用权益证明共识生成区块和扩展区块链的方法也比比特币中的工作量证明共识效率高数千倍，大大节省了资源。

图2 权益共识证明简图

一旦验证者在权益证明共识中创建了一个区块，该区块也需要提交给区块链。 不同的产权证明系统处理提交过程的方式不同。

一个典型的例子是Tendermint，系统中的每个节点都必须对每个区块进行签名（这个过程中的角色称为“签名者”），直到大多数节点验证并记录链上的区块共识； 在其他一些系统中，可以通过选择一组随机节点进行签名来达成共识。

权益证明具有高效、节约资源等优点，但也面临着一些潜在的现实风险。 行业研究人员通常将其描述为一个微不足道的问题，这意味着区块创建者和区块验证者完成各自工作的成本极低，因此违反系统协议和作恶的损失也很小。 基于理性人的利己假设，参与者必然会作恶。 例如，一个区块创建者同时创建两个区块并获得两次交易费用，或者一个签名者同时签署两个区块并获得两次工作报酬。 这些都违反了同一时间段内只能产生一个合法区块的系统约定，不允许签名者签署非法区块。

在新兴的“加密经济学”领域工作量证明机制随着比特币，区块链工程师正在探索解决这些问题的方法。 一种解决方案是要求验证者将他们拥有的系统令牌锁定在虚拟保险库中。 如果验证者试图对系统进行双重签名或同时为分叉生成多个区块，这些代币将全部或部分受到惩罚。 类似的改进机制也被提出并在使用权益证明的不同区块链系统中实践。

Peercoin 是第一个实施股权证明的代币，其次是 Blackcoin 和 NXT。 此外，以太坊最初依赖工作量证明共识，但计划在 2018 年初迁移到权益证明。建议 Casper 尝试解决工作量证明和权益证明的问题。 Decred 使用工作量证明和权益证明的混合共识方案。

其他共识算法

除了工作量证明和权利证明，区块链相关研究者还提出了委托权益证明（DPOS）、实用拜占庭容错（PBFT）、证明-的概念。 下面简单介绍一下DPOS和PBFT。

（一）股权证明委托DPOS

DPOS 是权益共识的改进版本。 共识过程不再需要所有参与节点的多数通过区块链安全算法协议，而是委托部分代表。 这样可以进一步提高共识效率，更好地处理系统节点不在线的问题。 . Bitshare系统采用的DPOS共识原则是让所有Bitshares持有者进行投票工作量证明机制随着比特币，产生101个完全平等的权利代表区块链安全算法协议，可以理解为101个超级节点或矿池。

从某种角度来看，DPOS类似于议会制或人民代表大会制。 如果一个代表不能履行他们的职责，比如轮到他们的时候没有按时出块，他们将被从名单中移除，然后网络将选择一个新的超级节点来取代他们。 使用 DPOS 共识的系统通常会使用经济奖惩机制来达成更稳定的共识。

(2) 实用的拜占庭容错共识PBFT

PBFT 是一种基于严格数学证明的算法，需要三个阶段的信息交换和部分共识来实现最终一致的输出。 可以证明，只要系统中有超过三分之二的正常节点，就可以保证输出一致的共识结果，虽然达成共识的时间不确定。

实用的拜占庭容错协议的缺点是不适合大规模节点共识，因为随​​着节点规模的增加，达成共识所需的时间大大增加，不符合效率要求。 许多相关研究人员正在讨论改进拜占庭协议以解决不同应用场景下的效率问题。

总结

共识算法的性能直接影响分布式系统的性能，如安全性、健壮性、共识成本和效率等。 如何在安全性和健壮性的基础上提高效率，是一个需要不断讨论和研究的焦点。 目前，关于区块链共识的各种研究也在根据具体的应用场景进行各种改进。 除了技术方案的完善外，还需要结合经济和社会因素，寻找更有针对性、更完善的解决方案。 .

总体而言，区块链共识方案的研究为分布式系统中的共识问题提供了更好的解决方案。 已经有一些算法可以更好地解决分布式系统中的共识问题。 高质量的文章也在EUROCRYPT、ACM、Cryptology ePrint Archive等高水平会议和期刊上发表，对上述问题进行了更深入和前瞻性的讨论。 然而，该领域仍有许多未解之谜和大量研究。 价值和发展空间。

【本文为51CTO专栏作者《中国保密协会科技分会》原创稿件，转载请联系原作者】

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