淺談區(qū)塊鏈的共識技術(shù)與在線藝術(shù)教育

宋易欣

摘要：區(qū)塊鏈作為一種新興的技術(shù)，成為現(xiàn)代商業(yè)追捧的熱點(diǎn)，但是短期內(nèi)大多數(shù)人往往還未對他的原理理解，沒有找到實(shí)際的用途，就開始炒作概念，甚至演變成詐騙，這對新興技術(shù)的發(fā)展是極為不利的，與區(qū)塊鏈的初衷背離。運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)，全面解決實(shí)際問題才是區(qū)塊鏈的魅力所在，而這種技術(shù)正好可以解決在線藝術(shù)教育中所存在的版權(quán)、反饋、正向激勵(lì)等問題。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;共識技術(shù);藝術(shù)教育

一、區(qū)塊鏈對在線藝術(shù)教育的意義：

我們對于種新興的技術(shù)，往往會攔陳豆期內(nèi)對他有過高的不切實(shí)際的期望，泡沫破滅后，在長期的時(shí)間軸線上又往往會忽視它的深刻影響，這句話用在區(qū)塊鏈映厚合適不過，區(qū)塊鏈的發(fā)明是建立在互聯(lián)網(wǎng)之上的，其所使用的技術(shù)像P2P、分布式存儲，分布式密鑰的思想，十年前就已經(jīng)存在，但是如果沒有中本聰那一篇開創(chuàng)性的關(guān)于比特幣的白皮書，所有這些強(qiáng)大的工具都還只是埋藏在學(xué)術(shù)論文堆里，因?yàn)檫@些工具單獨(dú)使用，并不能解決問題，只有中本聰出人意料地提出了一個(gè)系統(tǒng)性的，可供實(shí)踐的解決方案，如果他能提前十年提出這篇論文，那么比特幣就可以提前十年發(fā)明出來，所以單個(gè)技術(shù)點(diǎn)并非是區(qū)塊鏈的魅力所攔〔，運(yùn)用這些技術(shù)的全新思想才是區(qū)塊鏈的本質(zhì)和核心。

而在線藝術(shù)教育所遇到的問題.直集中在兩個(gè)方匡，幣、是在線藝術(shù)教育所獲得教育成果的即使反饋及正向徨礪勺，另個(gè)是藝術(shù)教育所產(chǎn)出成果的版權(quán)保護(hù)。因?yàn)樗囆g(shù)教育不同與語數(shù)外等死可以標(biāo)準(zhǔn)化的教育，它講究因材施教，各有所長，那么通過區(qū)塊鏈的技術(shù)，把教育產(chǎn)出放在區(qū)塊上，既可以保證版權(quán)的問題，又可以借鑒比特幣的方式，將教育成果通過區(qū)：塊鏈卜的所有成員即參與者連接起來，達(dá)成共識，形成正向激勵(lì)與反饋。區(qū)塊鏈不是簡剿是供石、只能追力叼又能更改的分布式數(shù)據(jù)庫解決方案，而是到色軀干與云訓(xùn)算大數(shù)據(jù)稱時(shí)架充模式的系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，使得系統(tǒng)由原來的傳統(tǒng)系統(tǒng)和云訓(xùn)算這種雙核驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)系統(tǒng)、云訓(xùn)算、區(qū)塊鏈并刻區(qū)動，將異構(gòu)系統(tǒng)更好的發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)。

二、區(qū)塊鏈的鏈接：

顧名思義，區(qū)塊鏈即由一個(gè)個(gè)區(qū)塊組成的鏈。每個(gè)區(qū)塊分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體（含交易數(shù)據(jù)）兩個(gè)部分。區(qū)塊頭包括用來實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈接的前一區(qū)塊的哈希值和用于計(jì)算挖礦的隨機(jī)數(shù)（nonce）。前一區(qū)塊的哈希值實(shí)際是上一個(gè)區(qū)塊頭部的哈希值，而計(jì)算隨機(jī)數(shù)規(guī)則決定了哪個(gè)礦工可以獲得記錄區(qū)塊的權(quán)力。區(qū)塊鏈的鏈接模型如圖所示。

共識機(jī)制：

區(qū)塊鏈?zhǔn)前殡S比特幣而生的，是比特幣的基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)?？梢詫^(qū)塊鏈理解為一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)的去中心化記賬系統(tǒng)。類似比特幣這樣的去中心化數(shù)字貨幣系統(tǒng)，要求在沒有中心節(jié)點(diǎn)的情況下保證各個(gè)誠實(shí)節(jié)點(diǎn)記賬的一致性，就需要區(qū)塊鏈來完成。所以區(qū)塊鏈技術(shù)的核心是在沒有中心控制的情況下，在互相沒有信任基礎(chǔ)的個(gè)體之間就交易的合法性等達(dá)成共識的共識機(jī)制。

區(qū)塊鏈的共識機(jī)制目前主要有4類：poW、PoS、DPoS、分布式一致性算法。

（1）POW（工作量證明），也就是像比特幣的挖礦機(jī)制，礦工通過把網(wǎng)絡(luò)尚未記錄的現(xiàn)有交易打包到一個(gè)區(qū)塊，然后不斷遍歷嘗試來尋找一個(gè)隨機(jī)數(shù)，使得新區(qū)塊加上隨機(jī)數(shù)的哈希值滿足一定的難度條件，例如前面10位是零。找到滿足條件的隨機(jī)數(shù)，就相當(dāng)于確定了區(qū)塊鏈最新的一個(gè)區(qū)塊，也相當(dāng)于獲得了區(qū)塊鏈的本輪記賬權(quán)。礦工把滿足挖礦難度條件的區(qū)塊在網(wǎng)絡(luò)中廣播出去，全網(wǎng)其他節(jié)點(diǎn)在驗(yàn)證該區(qū)塊滿足挖礦難度條件，同時(shí)區(qū)塊里的交易數(shù)據(jù)符合協(xié)議規(guī)范后，將各自把該區(qū)塊鏈接到自己版本的區(qū)塊鏈上，從而在全網(wǎng)行程對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的共識。

優(yōu)點(diǎn)：完全去中心，節(jié)點(diǎn)自由進(jìn)出，避免了建立和維護(hù)中心化信用機(jī)構(gòu)的成本。只要網(wǎng)絡(luò)破壞者的算力不超過網(wǎng)絡(luò)總算力的50%，網(wǎng)絡(luò)的交易狀態(tài)就能達(dá)成一致。

缺點(diǎn)：目前比特幣挖礦造成了大量的資源浪費(fèi);另外挖礦的激勵(lì)機(jī)制也造成礦池算力的高度集中，背離了當(dāng)初去中心化設(shè)計(jì)的初衷。更大的問題是POW機(jī)制的共識達(dá)成的周期較長，每秒只能最多做7筆交易，不適合商業(yè)應(yīng)用。

（2）PoS：POS權(quán)益證明，要求節(jié)點(diǎn)提供擁有一定數(shù)量的代幣證明來獲取競爭區(qū)塊鏈記賬權(quán)的一種分布式共識機(jī)制。如果單純依靠代幣余額來決定記賬者必然使得富有者生出，導(dǎo)致記賬權(quán)的中心化，降低共識的公正性，因此不同的POS機(jī)制在權(quán)益證明的基礎(chǔ)上，采用不同方式來增加記賬權(quán)的隨機(jī)性來避免中心化/例如點(diǎn)點(diǎn)幣POS機(jī)制中，擁有最長鏈齡的比特幣獲得記賬權(quán)的幾率就越大。NXT和Blackcoin則采用一個(gè)公j弋來預(yù)測下一個(gè)記賬的節(jié)點(diǎn)。擁有多的代幣被選為記賬節(jié)點(diǎn)的概率就會大。未來以太坊也會從目前的POW機(jī)制轉(zhuǎn)換到POS機(jī)制，從目前看到的資料看，以太坊的POS機(jī)制將采用節(jié)點(diǎn)下賭注來賭下一個(gè)區(qū)塊，賭中者有額外以太幣獎(jiǎng)，賭不中者會被扣以太幣的方式來達(dá)成下一區(qū)塊的共識。

優(yōu)點(diǎn)：在一定程度上縮短了共識達(dá)成的時(shí)間，降低了POW機(jī)制的資源浪費(fèi)。

缺點(diǎn)：破壞者對網(wǎng)絡(luò)攻擊的成本低，網(wǎng)絡(luò)的安全性有待驗(yàn)證。另外擁有代幣數(shù)量大的節(jié)點(diǎn)獲得記賬權(quán)的幾率更大，會使得網(wǎng)絡(luò)的共識受少數(shù)富裕賬戶支配，從而失去公正性。

（3）DPoS：DPaS（股份授權(quán)證明）機(jī)制，類似于董事會投票。比特股采用的POS機(jī)制是持股者投票選出一定數(shù)量的見證人月i垂個(gè)見證人按序有兩秒的權(quán)限時(shí)間生成區(qū)塊，若見證人在給定的時(shí)間片不能生成區(qū)塊，區(qū)塊生成權(quán)限交給下一個(gè)時(shí)伺片對應(yīng)的見證人。持股人可以隨時(shí)通過投票更換這些見證人。DPoS的這種設(shè)計(jì)使得區(qū)塊生成更為迅速，也更加節(jié)能。

優(yōu)點(diǎn)：大幅縮小參與驗(yàn)證和記賬節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，可以達(dá)到秒級的共識驗(yàn)證。

缺點(diǎn)：選舉固定數(shù)量的見證人作為記賬候選人有可能不適合于完全去中心化的場景。另外再網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)少的場景，選舉的見證人的代表性也不強(qiáng)。

（4）分布一致性算法：分布式一致性算法是基于傳統(tǒng)的分布式一致性技術(shù)。其中有分為解決拜占庭將軍問題的拜占庭容錯(cuò)算法，如PRFT。另外解決非拜占庭問題的分布式一致性算法（Paxos、Raft），詳細(xì)可見后文共識算法。該類算法目前是聯(lián)盟鏈和私有鏈鏈場景中常用的共識機(jī)制。

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)秒級的快速共識機(jī)制，保證一致性。

缺點(diǎn)：去中心化程度不如公有鏈上的共識機(jī)制;更適合多方參與的多中心商業(yè)模式。

三、藝術(shù)教育的共識算法舉例：

小螞蟻是分散的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它使用區(qū)塊鏈技術(shù)將物理世界的資產(chǎn)和利益數(shù)字化，并通過對等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行注冊，發(fā)放，轉(zhuǎn)移，清算和結(jié)算等金融交易。小螞蟻可用于股權(quán)眾籌，P2P在線借貸，數(shù)字資產(chǎn)管理，智能合約等。

小螞蟻共識機(jī)制使運(yùn)行小螞蟻協(xié)議的每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠就當(dāng)前的區(qū)塊鏈狀態(tài)達(dá)成一致。如果股權(quán)持有人投票，則確定會計(jì)師及其編號;選定的會計(jì)師完成每個(gè)塊的共識并確定應(yīng)包括的事務(wù)。

小螞蟻的會計(jì)機(jī)制稱為中立會計(jì)。Pow/Pos/DPoS解決了誰有權(quán)寫作的問題，而中性會計(jì)則關(guān)注如何限制賬單的權(quán)力。在中立會計(jì)的共識機(jī)制下，賬單只有選擇是否參與的權(quán)利，但不能改變交易數(shù)據(jù)，不能人為地排除交易，不能人為地對交易進(jìn)行分類。小螞蟻的中立會計(jì)區(qū)塊鏈可以做到（1）每15秒產(chǎn)生一個(gè)塊，優(yōu)化后預(yù)計(jì)達(dá)到不到5秒;（2）單個(gè)賬單不能拒絕在當(dāng)前區(qū)塊中包含交易;（3）所有賬單均有出席確認(rèn)，一次確認(rèn)即為完整確認(rèn);（4）與超導(dǎo)交易機(jī)制相結(jié)合，簿記員不能通過構(gòu)建交易來獲利。

小型股權(quán)持有人可以發(fā)起選舉賬單交易，以投票選出的（1至1024名）候選人數(shù)。人們普遍認(rèn)為，簿記員應(yīng)該是真實(shí)姓名的，候選人應(yīng)該提供一個(gè)可以通過其他渠道證明其真實(shí)身份的數(shù)字證書。

小螞蟻協(xié)議實(shí)時(shí)收集所有投票并計(jì)算當(dāng)前罷工者的數(shù)量和罷工者名單。為了確定需要預(yù)訂的人數(shù)，所有選票按支持者的數(shù)量排序，占小螞蟻持有的份額中間值的50%，然后獲得算術(shù)平均值。當(dāng)人數(shù)低于最低標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，啟用系統(tǒng)預(yù)設(shè)備用計(jì)費(fèi)器進(jìn)行更換。在確定了所需的預(yù)訂人數(shù)之后，付款人的名單由從高到低的投票數(shù)確定。

我們使用塊隨機(jī)數(shù)的生成來理解小螞蟻共識機(jī)制。在生成每個(gè)塊之前，計(jì)數(shù)器必須協(xié)作以生成塊隨機(jī)數(shù)。小螞蟻使用Shamir的秘密共享方案（SSSS）進(jìn)行協(xié)作以生成隨機(jī)數(shù)。

根據(jù)SSSS方案，可以從密文S生成N個(gè)密文片段，并且可以通過在其中保持K個(gè)份來恢復(fù)密文S小螞蟻簿記員（假設(shè)是N+1）通過以下三個(gè)步驟就隨機(jī)數(shù)達(dá)成了共識：（1）選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)，通過SsSS方案生成N個(gè)片段，并使用其他N個(gè)billers的公鑰進(jìn)行加密和廣播。（2）在接收到其他N個(gè)billers的廣播之后，解密并廣播可以自己解密的部分。（3）收集至少K個(gè)密文片段后，求解隨機(jī)數(shù);在獲得所有注冊人的隨機(jī)數(shù)后，合并并生成塊隨機(jī)數(shù)。塊隨機(jī)數(shù)由個(gè)體賬單協(xié)同生成，只要涉及誠實(shí)的賬單，即使所有其他賬單串通，也無法預(yù)測或構(gòu)建隨機(jī)數(shù)。

在上述塊隨機(jī)數(shù)生成的第一步的廣播中，記帳器還同時(shí)廣播它認(rèn)為應(yīng)該寫人塊的甸個(gè)事務(wù)的哈希值。在其他訂戶聽到廣播之后，他們檢查他們是否具有交易哈希值的相應(yīng)數(shù)據(jù)。如果沒有，他們從其他節(jié)點(diǎn)請求它。

當(dāng)生成塊隨機(jī)數(shù)時(shí)，每個(gè)記帳器合并第一步廣播中的所有事務(wù)（不包括僅具有哈希值但不能獲得事務(wù)數(shù)據(jù)的事務(wù)）和符號，并獲得2/3記賬員的簽名。然后塊完成;否則，共識失敗，返回隨機(jī)數(shù)共識的第一步，然后再試一次。

參考文獻(xiàn)

[1]范捷，易樂天，舒繼武.拜占庭系統(tǒng)技術(shù)研究綜述[J]軟件學(xué)報(bào).2013（06）

[2]丁未.基于區(qū)塊鏈技術(shù)的儀器數(shù)據(jù)管理創(chuàng)新系統(tǒng)[J]中國儀器儀表.2015（10）

[3]謝輝，王健.區(qū)塊鏈技術(shù)及其應(yīng)用研究[J]信息網(wǎng)絡(luò)安全.2016（09）

[4]韓璇，劉亞敏.區(qū)塊鏈技術(shù)中的共識機(jī)制研究[J]信息網(wǎng)絡(luò)安全.2017（09）

[5]周鄴飛.區(qū)塊鏈核心技術(shù)演進(jìn)之路——共識機(jī)制演進(jìn)（1）[J]計(jì)算機(jī)教育.2017（04）