區(qū)塊鏈核心技術(shù)演進(jìn)之路

（四川省區(qū)塊未來(lái)科技有限責(zé)任公司 ，四川 成都 610000）

摘 要：介紹區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制的基本功能，闡述工作量證明（Proof-of-Work，POW）和權(quán)益證明（Proof-of-Stake，POS）的基本原理，對(duì)比分析兩種共識(shí)機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)——POW機(jī)制簡(jiǎn)單、安全，但浪費(fèi)能源；POS機(jī)制環(huán)保、共識(shí)快，但其安全性缺乏嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；共識(shí)機(jī)制；POW；POS

一般而言，在介紹區(qū)塊鏈時(shí)都會(huì)提到兩個(gè)核心要點(diǎn)：一是分布式賬本，二是拜占庭將軍問(wèn)題（Byzantine Generals Problem）。使用分布式賬本目的是讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠驗(yàn)證交易，而拜占庭將軍問(wèn)題與賬本的一致性有關(guān)，即本文要討論的共識(shí)機(jī)制（consensus）。

區(qū)塊鏈上的共識(shí)機(jī)制主要解決由誰(shuí)來(lái)記賬，以及如何維護(hù)賬本統(tǒng)一的問(wèn)題，該問(wèn)題的理論基礎(chǔ)是拜占庭容錯(cuò)（Byzantine Fault Tolerant，BFT）。拜占庭容錯(cuò)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始被研究，目前已經(jīng)是一個(gè)被研究得比較透徹的理論，存在解的前提條件及具體實(shí)現(xiàn)都有現(xiàn)成算法。本文不打算從BFT說(shuō)起，因?yàn)橐治龅氖菂^(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制的演進(jìn)之路，而中本聰并沒(méi)有采用BFT，其實(shí)在筆者研究比特幣伊始，即便在理解了POW（Proof-of-Work，工作量證明方式）機(jī)制之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間，并不了解拜占庭將軍問(wèn)題。下文在分析 HyperLedger Fabric的PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerant）算法以及小蟻?lái)?xiàng)目的DBFT算法時(shí)再全面闡述拜占庭將軍問(wèn)題及傳統(tǒng)分布式一致性算法（PAXOS、RAFT）。

POW

其實(shí)“共識(shí)機(jī)制”一詞在這一兩年才被頻繁使用，以前一般叫證明方式（Proof），因?yàn)楸忍貛挪捎霉ぷ髁孔C明方式（POW）。隨著大家對(duì)分布式賬本一致性問(wèn)題的不斷探索，很多算法被提出來(lái)，尤其近期有很多項(xiàng)目回歸了對(duì)傳統(tǒng)BFT算法的改進(jìn)，在算法思路上已經(jīng)跳出了“證明”的語(yǔ)義，進(jìn)一步高度概括為共識(shí)機(jī)制。筆者記得第一次碰到POW這一概念時(shí)感到很費(fèi)解，對(duì)這種表述方式很頭疼，掌握了POW機(jī)理后才真正明白其本意為“通過(guò)工作以獲得指定成果，用成果來(lái)證明曾經(jīng)付出的努力”。其實(shí)我們?nèi)粘９ぷ魃钪薪?jīng)常使用POW，比如學(xué)生考試成績(jī)、畢業(yè)證、駕照等，這種證明方式的一個(gè)顯著特征是往往需要很大的工作量才能拿到指定成果，且這個(gè)成果很容易驗(yàn)證。之所以如此是因?yàn)槲覀円话愫茈y去實(shí)時(shí)監(jiān)督一個(gè)人是否真的付出了這些工作量。

再回到比特幣的設(shè)計(jì)思路，中本聰已經(jīng)使用非對(duì)稱密碼解決了電子貨幣的所有權(quán)問(wèn)題，用區(qū)塊時(shí)間戳解決了交易的存在性問(wèn)題，用分布式賬本解決了剔除第三方結(jié)構(gòu)后交易的驗(yàn)證問(wèn)題，剩下需要解決的問(wèn)題是雙重支付，這要求所有節(jié)點(diǎn)賬本統(tǒng)一，而真正的平等又必須賦予人人都有記賬的權(quán)利，記賬是一件簡(jiǎn)單的事情，每個(gè)人都可以做，顯然最終會(huì)存在眾多大同小異的賬本，而其實(shí)我們只需要其中的一個(gè)賬本就夠了。

中本聰想到給記賬加入成本，總賬本由各個(gè)分頁(yè)按照時(shí)間先后排序，給每個(gè)賬本分頁(yè)設(shè)立一個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，以區(qū)分賬本分頁(yè)是否合格，這給記賬增加了難度，同時(shí)給每個(gè)賬本分頁(yè)加入一個(gè)隨機(jī)元素，用以調(diào)節(jié)記賬難度以保證一定時(shí)間段內(nèi)只有一個(gè)人生成合格的賬本分頁(yè)。增加的成本就是工作量，合格的賬本分頁(yè)就是工作量證明。對(duì)于比特幣而言，所謂的賬本分頁(yè)就是一個(gè)區(qū)塊，區(qū)塊通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)形成區(qū)塊鏈，合格的區(qū)塊可以表述為

F（Nonce） < Target

其中Nonce是隨機(jī)元素，Target是合格區(qū)塊的量化，每個(gè)記賬節(jié)點(diǎn)的Target一致。Target根據(jù)過(guò)往一段時(shí)間內(nèi)的平均區(qū)塊間距時(shí)間與預(yù)期間距時(shí)間的差異來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)。此外POW的成功運(yùn)行還需要配合如下兩條約定。

（1）Best chain原則：將最長(zhǎng)的鏈條視為正確的鏈條。

（2）激勵(lì)原則：找到合格的區(qū)塊有獎(jiǎng)勵(lì)收益。

第（1）條約定為硬性規(guī)則，所有人必須無(wú)條件遵守，畢竟大家共同的目標(biāo)是找到一致性賬本，而最長(zhǎng)的鏈條代表最大的工作量。如果沒(méi)有這條約定，每個(gè)人都只會(huì)構(gòu)造自己的區(qū)塊鏈，無(wú)法統(tǒng)一。第（2）條為工作量激勵(lì)，既然記賬有成本，那唯有收益才能驅(qū)動(dòng)大家都去記賬，參與記賬構(gòu)造區(qū)塊變成投資行為，其成本和收益風(fēng)險(xiǎn)在第（1）條約束下形成博弈，驅(qū)動(dòng)所有節(jié)點(diǎn)按約定規(guī)則老老實(shí)實(shí)地夠造區(qū)塊，最終達(dá)到納什均衡。

具體實(shí)現(xiàn)方式是比特幣采用哈希（Hash）算法。邏輯上比特幣是對(duì)整個(gè)區(qū)塊進(jìn)行哈希運(yùn)算，但真正實(shí)現(xiàn)并非將整個(gè)區(qū)塊數(shù)據(jù)作為哈希函數(shù)的參數(shù)，區(qū)塊數(shù)據(jù)大體可以分為區(qū)塊頭和交易列表兩部分，如圖1所示。交易列表通過(guò)構(gòu)造成Merkle樹(shù)最終濃縮成Merkleroot內(nèi)置于區(qū)塊頭，區(qū)塊頭只有6個(gè)字段，共80字節(jié)。如此設(shè)計(jì)的好處是方便哈希運(yùn)算，每次運(yùn)算只需要80字節(jié)的參數(shù)輸入，而不是整個(gè)區(qū)塊輸入。

比特幣采用SHA256哈希運(yùn)算，且每次都是連續(xù)進(jìn)行兩次SHA256運(yùn)算才能作為最終結(jié)果，前一次運(yùn)算的結(jié)果作為后一次運(yùn)算的輸入，即Double SHA256，一般簡(jiǎn)稱SHA256D，擴(kuò)展上面的公式，比特幣合格區(qū)塊判斷依據(jù)如上：

公式（1）的各項(xiàng)參數(shù)釋義如下。

nVersion：版本號(hào)，4字節(jié)。

hashPrevBlock：前一個(gè)區(qū)塊hash值，32字節(jié)。

hashMerkleRoot：包含進(jìn)本區(qū)塊的所有交易構(gòu)造的Merkle樹(shù)根，32字節(jié)。

nTime：Unix時(shí)間戳，4字節(jié)。

nBits：記錄本區(qū)塊難度，4字節(jié)。

nNonce：隨機(jī)數(shù)，4字節(jié)。

MAXTARGET：最大目標(biāo)值，常量。

Diff：當(dāng)前區(qū)塊難度，全網(wǎng)難度一致。

MAXTARGET/Diff即通常所說(shuō)的當(dāng)前目標(biāo)值，可見(jiàn)難度Diff越大，當(dāng)前目標(biāo)值越小，找到一個(gè)合格區(qū)塊的概率就越小。

很顯然，POW的核心要義為算力越大，挖到塊的概率越大，維護(hù)區(qū)塊鏈安全的權(quán)重越大。相對(duì)其他共識(shí)機(jī)制而言，POW邏輯簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，容錯(cuò)達(dá)50%，其安全有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)論證。

POS

POW缺點(diǎn)也很明顯，其中被指責(zé)最多的主要有兩點(diǎn)，一是浪費(fèi)能源，二是風(fēng)險(xiǎn)和收益博弈必然導(dǎo)致聯(lián)合挖礦，而大算力礦池可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的去中心化構(gòu)成威脅。

于是在2011年，一個(gè)名為Quantum Mechanic的數(shù)字貨幣愛(ài)好者在Bitcointalk論壇提出Proof-of-Stake（POS）證明機(jī)制，該機(jī)制被充分討論之后證明具有可行性。如果說(shuō)POW主要比拼算力，算力越大，挖到一個(gè)塊的概率越大，POS則是比拼余額，通俗說(shuō)就是自己的手里的幣越多，挖到一個(gè)塊的概率越大。POS合格區(qū)塊的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可以表述為

F（Timestamp） < Target × Balance （2）

與POW相比，公式（2）左邊的搜索空間由Nonce變?yōu)門(mén)imestamp，Nonce本質(zhì)是無(wú)限的，而Timestamp極其有限，一個(gè)合格區(qū)塊的區(qū)塊時(shí)間必須在前一個(gè)區(qū)塊時(shí)間的規(guī)定范圍之內(nèi)，時(shí)間太早或者太超前的區(qū)塊都不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)接納。公式（2）右邊的目標(biāo)值引入一個(gè)乘積因子余額，可見(jiàn)余額越大，整體目標(biāo)值（Target × Balance）越大，找到一個(gè)合格區(qū)塊的概率就越大。因?yàn)門(mén)imestamp有限，POS鍛造區(qū)塊成功率主要與Balance有關(guān)。

POS只是代表一種共識(shí)機(jī)制理念，具體有多種實(shí)現(xiàn)方式，下面重點(diǎn)解析兩種比較經(jīng)典的實(shí)現(xiàn)思路。

Peercoin

Peercoin（點(diǎn)點(diǎn)幣，PPC）于2012年8月發(fā)布，最大創(chuàng)新是其采礦方式混合了POW及POS兩種方式，其中POW主要用于發(fā)行代幣，未來(lái)預(yù)計(jì)隨著挖礦難度上升，產(chǎn)量降低，系統(tǒng)安全主要由POS維護(hù)。目前區(qū)塊鏈中存在兩種類(lèi)型的區(qū)塊，POW區(qū)塊和POS區(qū)塊。PPC的作者為同樣不愿意公開(kāi)身份的密碼貨幣極客Sunny King，同時(shí)也是Primecoin的研發(fā)者。

要掌握Peercoin的POS機(jī)制，需要重點(diǎn)理解Sunny King專門(mén)為PPC設(shè)計(jì)的幾個(gè)核心概念：Coinstake，Kernel，Stake Modifier，Modifier Interval，StakeReward，Coinage等。

Coinstake

為了實(shí)現(xiàn)POS，Sunny King專門(mén)設(shè)計(jì)了一種特殊類(lèi)型交易，叫Coinstake，Coinstake的設(shè)計(jì)借鑒于中本聰?shù)腃oinbase設(shè)計(jì)。本質(zhì)上Coinbase和Coinsake都是一筆交易，只是對(duì)他們的輸入、輸出做了一些硬性限制，這樣才不會(huì)擾亂系統(tǒng)原有的POW機(jī)制。

（1）Coinbase結(jié)構(gòu)要求：

（1）輸入數(shù)量必須等于1，且輸入的Prevout字段（指定前一筆交易的輸出）必須置空值。

（2）輸出數(shù)量必須大于等于1。

（2）Coinstake結(jié)構(gòu)要求（如圖2所示）。

（1）輸入數(shù)量大于等于1，且第一個(gè)輸入的Prevout字段不能為空，即要求Kernel必須存在。

（2）輸出數(shù)量大于等于2，且第一個(gè)輸出必須置空值。

這兩種特殊交易在區(qū)塊鏈中存放的位置也有特殊要求，中本聰規(guī)定每個(gè)區(qū)塊的第一筆交易必須放置Coinbase，反之，Coinbase不能出現(xiàn)在區(qū)塊的其他位置。Sunny King顯然不想破壞這個(gè)規(guī)則，他增加了一條規(guī)則，對(duì)于POS區(qū)塊，第二筆交易必須放置Coinstake，反之，Coinstake不能出現(xiàn)在其他地方。換言之，只要第二筆交易是Coinstake，那么這個(gè)區(qū)塊就當(dāng)POS區(qū)塊來(lái)處理。

Coinbase和Coinstake都不應(yīng)該被單獨(dú)廣播，而只存在于區(qū)塊中，因此客戶端節(jié)點(diǎn)一般都不允許進(jìn)入內(nèi)存池，當(dāng)花費(fèi)這兩種交易時(shí)，都需要檢測(cè)是否已經(jīng)成熟。

Kernel Protocal

Coinstake的第一個(gè)輸入（Input 0）叫Kernel，Kernel在POS機(jī)制里確實(shí)起到核心作用，合格區(qū)塊的判定與之息息相關(guān)。合格區(qū)塊表述為

SHA256D（nStakeModifier + txPrev.block.-nTime + txPrev.offset + txPrev.nTime + txPrev.vout.n + nTime）< bnTarget × nCoinDayWeight （3）

公式（3）中的每一個(gè)參數(shù)都有明確的設(shè)計(jì)目的。

nStakeModifier：專門(mén)為POS設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器，按照以上公式，如果沒(méi)有參數(shù)nStakeModifier，當(dāng)一個(gè)人收到一筆幣之后，他立即就能提前計(jì)算得知自己在未來(lái)何時(shí)可以鍛造區(qū)塊，這顯然不符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，Sunny King希望POS礦工和POW礦工一樣做盲目探索，以實(shí)時(shí)在線維護(hù)區(qū)塊鏈，nStakeModifier的設(shè)計(jì)就是為了防止POS礦工提前計(jì)算。nStakeModifier可以理解為POS區(qū)塊的一個(gè)屬性，每一個(gè)區(qū)塊對(duì)應(yīng)一個(gè)nStakeModifier值，但nStakeModifier并不是每個(gè)區(qū)塊都變動(dòng)，不過(guò)協(xié)議規(guī)定每隔一定時(shí)間（modifier interval）必須重新計(jì)算一次，取值與前一個(gè)nStakeModifier以及最新區(qū)塊哈希值有關(guān)，因此POS礦工無(wú)法提前計(jì)算，因?yàn)樗恢牢磥?lái)的區(qū)塊哈希值。

也就是說(shuō)，在PPC系統(tǒng)中，除了存在區(qū)塊鏈、幣鏈（幣的交易簽名歷史），還隱藏著一個(gè)很少被提及的鏈條——權(quán)益調(diào)節(jié)器鏈條。

值得一提的是，Sunny King是在PPC后來(lái)的版本才加入這個(gè)調(diào)節(jié)器的，一開(kāi)始他使用nBits。

txPrev：Kernel對(duì)應(yīng)的前一筆交易。

txPrev.block.nTime：txPrev所在區(qū)塊的時(shí)間戳，一筆交易被納入?yún)^(qū)塊的時(shí)間是交易發(fā)起者不能確定的，節(jié)點(diǎn)有可能通過(guò)提前計(jì)算預(yù)估到未來(lái)對(duì)自己有利的時(shí)間戳，這個(gè)參數(shù)就是為了防止節(jié)點(diǎn)利用這種預(yù)估優(yōu)勢(shì)提前生成大批交易。

txPrev.offset：txPrev在區(qū)塊中的偏移量，用以降低網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)同時(shí)生成Coinstake的概率。

txPrev.nTime：txPrev構(gòu)造時(shí)間，設(shè)計(jì)目標(biāo)如txPrev.offset。

txPrev.vout.n：Kernel在txPrev中的輸出下標(biāo)，設(shè)計(jì)目標(biāo)如txPrev.offset。

bnTarget：全網(wǎng)當(dāng)前目標(biāo)難度基準(zhǔn)值，類(lèi)似POW中的當(dāng)前難度值，由nbits記錄。

nCoinDayWeight：Kernel消耗的幣齡，加入了一個(gè)時(shí)間權(quán)重。

從以上公式可以看出，Sunny King一方面希望能給所有POS礦工足夠的隨機(jī)性，另一方面，搜索空間始終控制在只局限于Coinstake的時(shí)間戳Time，影響找到合格區(qū)塊鏈最大的因素是Kernel消耗的幣齡。

節(jié)點(diǎn)在鍛造區(qū)塊時(shí)，首先從自己所有的UTXO中選定一個(gè)作為Kernel，構(gòu)造Coinstake，計(jì)算hash，如果不合格，重新構(gòu)造Coinstake，此時(shí)Time已經(jīng)改變，也可以改變Kernel，以得到不同的Coinstake，如此往復(fù)，直到找到合格區(qū)塊。

Coinage

上面提到了幣齡，也叫幣天，假如1.5個(gè)幣存在于區(qū)塊鏈中10天，幣齡數(shù)值為

Coinage = 1.5×10 = 15

PPC采用幣齡，而不是直接采用余額（Balance）來(lái)計(jì)算。

stakeReward

權(quán)益激勵(lì)，俗稱獲得利息，計(jì)算公式為

stakeReward = Coinage × 33 / （365 ×33 + 8） ×0.01 ×COIN

公式（4）可簡(jiǎn)化為

stakeReward = （0.01 ×Coinage / 365） × COIN

其中，Coinage即上文說(shuō)的幣齡，COIN可理解為“幣”，1 COIN即通常所說(shuō)的1個(gè)幣，本質(zhì)是一個(gè)常量，中本聰在比特幣系統(tǒng)里定義為100 000 000，如此設(shè)計(jì)主要是為了避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，比特幣支持8位小數(shù)源于此。

由公式（4）、（5）可知，收益按輸入幣齡總和的1%年利率計(jì)算。

POS一并解決了POW浪費(fèi)能源和算力集中兩個(gè)痛點(diǎn)，理論上還能縮短了共識(shí)時(shí)間，但同時(shí)也丟棄了POW的某些優(yōu)勢(shì)，因此更容易分叉，一筆交易需要等待更多確認(rèn)才能確保安全，而POS最大的問(wèn)題是其安全性和容錯(cuò)性還沒(méi)有得到嚴(yán)格的數(shù)學(xué)論證。

（編輯： 彭遠(yuǎn)紅 ）

專欄作者簡(jiǎn)介：周鄴飛，男，幣創(chuàng)網(wǎng)聯(lián)合創(chuàng)始人，技術(shù)副總裁，中國(guó)科學(xué)院智能控制博士生，DACA區(qū)塊鏈協(xié)會(huì)講師，小企鏈（icochain）研發(fā)者，參與《區(qū)塊鏈講義》一書(shū)撰寫(xiě)，最早一批熱衷區(qū)塊鏈的技術(shù)極客，對(duì)比特幣、區(qū)塊鏈及智能合約有深入研究，zhouyefei@bichuang.com。