深入浅出区块链之共识算法与分布式一致性算法

jiajia19

大家好，我是Hyrik老师（hyrik2020），七年虚拟货币玩家，大牛谈不上，但是也带着一千来号学生做了几年投资了，没错过比特币，没错过以太坊，没错过山寨币，没错过ICO，回报在1000倍左右了，现在在做交易所，带学生。带学生让我很有成就感，他们平均也获得几百倍回报了，也欢迎你一起交流。


共识机制的概念，我们在前面的文章中已经讲解了一部分，但是，共识算法其实是一个非常大的话题，一篇文章肯定没有办法做到面面俱全。
那么今天的内容，我会将重点放在梳理技术的脉络上，详细分析的部分会少一点。如果你对共识算法有兴趣的话，可以自行查找相关内容，也可以和其他的资料进行相互补充的阅读。
分布式系统的模型

由于区块链就是一种分布式系统，所以这篇文章我就从这一概念开始讲起。 为了让你更容易理解分布式系统，我们先来构建一个模型。
在之前那篇文章中，我举了一个村庄举办相亲大会的例子，我们来回顾一下。
大村子因为人口增长变成 11 个小村落分散在地图各地；
村落之间的通信只能依靠信鸽；
一只信鸽可能无法完全覆盖所有村落，需要有中继村落代为传输消息。
相亲大会的举办权会为村子带来巨大收益，为了产生合理的举办者，人们约定了几条规则：
大会举办权从 A 和 B 两个村子中产生，他们每一届都是候选村；
投票时所有村落仅能投 A 或 B；
用投票的方式产生举办者，少数服从多数。
所有村子会为了举办权都会使出浑身解数，比如延迟发送投票结果、篡改别人的投票结果、假装没有接收到通知等等。
其实这是一个典型的分布式系统，可以看成是我们简化版的区块链网络环境，那么这个分布式系统会遇到什么样的问题呢？
分布式系统面临的问题

分布式系统面临了几个问题：一致性问题，可终止性问题、合法性问题。
可终止性可以理解为系统必须在有限的时间内给出一致性结果，合法性是指提案必须是系统内的节点提出。当然其中面对的最重要也是最基础的问题，就是我们常说的一致性问题。
一致性是指在某个分布式系统中，任意节点的提案能够在约定的协议下被其他所有节点所认可。
需要提醒你区分的一点是：这里的“认可”表示所有节点对外呈现的信息一致，而不是对信息的内容认可。一致性也分严格一致性、最终一致性，这些我们在后文会谈到。
我们回到上面的例子，我们提到了所有的村子只能投 A 或 B，其实这个投票的动作可以理解为提案。
在“投票过程被大家所认可”这个语境下，“被大家所认可”表示某个村落投票的结果已经被记录，用于最后统计结果，而不是认可投给 A 或者投给 B，这也是我在上述强调你要注意区分的一点。
那我们这里所说的一致性到底体现在那里呢？
主要体现在下面两种类型的问题上。
非人为恶意的意外投票过程。非人为恶意篡改可归类为信鸽半路挂掉、信鸽迷路、信鸽送错目的地、信鸽送信途中下雨导致信件内容模糊、接收信件的人不在家、天气变化信鸽延迟送达等等。这些对应到分布式系统面临的问题就是：消息丢包、网络拥堵、消息延迟、消息内容校验失败、节点宕机等。
人为恶意篡改投票过程。人为恶意篡改包括“精神分裂式投票”，中继篡改上一个村落的投票信息。对应到分布式系统面临的问题就是：消息被伪造、系统安全攻击等等。发生的人为恶意篡改的过程就可以称之为系统发生了拜占庭错误（Byzantine Fault)，如果系统可以容忍拜占庭错误而不至于崩溃，也就是在发生系统被恶意篡改的情况下仍然可以达成一致，我们将这样系统称作为做拜占庭容错系统。
问题 1 我们已经有较成熟的方案了。分布式系统本质上是一种并行异步操作，如果通过中心化的手段将系统中的“并行不确定”操作变更为“同步串行”操作就能解决上述的问题。
比如让第三方机构介入托管所有人的投票；或者构造一个不可伪造令牌，大家轮流将投票统一写到令牌上。
这些也是现代分布式系统经常使用的方法。但是这些方法有个缺陷，如果在分布式系统中被过多地使用以后，系统便会越来越像单点系统。
我们设计分布式系统的初衷就是为了克服单点系统的可用性不足、扩展性不好、单点性能上限等缺陷，这种退化的方案可能不是我们想要的。
而问题 2 要求设计拜占庭容错系统，这个在 IT 行业并不常见，因为多数 IT 系统是中心化的，所以如果我们想要解决问题 2，这就引出了我们今天要介绍的共识算法与分布式一致性算法。
有关分布式系统的定理

我们在介绍具体的分布式一致性算法之前，先介绍两个定理，做一下铺垫。
第一个是 FLP 不可能性，简单来说是：即使网络通信完全可靠，只要产生了拜占庭错误，就不存在一个确定性的共识算法能够为异步分布式系统提供一致性。换句话来说就是，不存在一个通用的共识算法可以解决所有的拜占庭错误。
第二个是 CAP 定理，CAP 定理是分布式系统领域最重要的定理之一，这个我们在“理解区块链的常见误区”一文中稍微讲到过。也就是在设计分布式系统的过程中，“一致性”“可用性”“分区容忍性”三者中，我们只能选择两个作为主要强化的点，另外一个必然会被弱化。
我们由 CAP 定理可以推导出严格一致性和最终一致性。严格一致性是指在约定的时间内，通常是非常短、高精度的时间内，系统达到一致性的状态，这种系统很难实现，即使实现也很难有高的性能。
所以人们从工程的角度提出了最终一致性，最终一致性不要求严格的短时间内达到一致。为了其他两个指标，我们相当于让一致性在时间上做了妥协。区块链满足了最终一致性，而且处理过程时间比较长。
可用性其实是传统技术后端架构上非常重要的指标，从单点到主备模式、从主备模式到异地多活，再到现在的 Paxos 和 Raft 协议。
我们从软件架构上也经历了基于 ESB 的模块化 SOA 模式，到无状态的微服务架构。从工程的角度来看，根据业务需求达到 4 个 9、6 个 9 就足够了，只是肯定比不了区块链近乎 100% 的可用性。
分区容忍性在企业内部极少出现，尤其是中心化的服务性应用，所以很少考虑。然而区块链的 P2P 网络环境十分复杂，所以必须要保证很高的分区容忍性。
通过以上我们可以发现比特币、以太坊等公链是偏重高可用性、分区容忍性（AP），满足最终一致性（C）且 TPS 较低的分布式系统。
所以如果有人号称他们的区块链能够达到媲美中心化系统上万的 TPS，先别着急投资，你问问他们技术是不是知道 CAP 定理，再问问他们的去中心化程度如何。
这点我们也可以从 EOS 等高性能的区块链身上佐证，EOS 全球只有 21 个记账节点，而以太坊全球有上万个节点可以随时参与记账，所以越想去中心化，你的 TPS 就不可能高，这也就是为什么 EOS 的 TPS 高，而以太坊的 TPS 低。
接下来我来介绍一下经典的分布式一致性算法和区块链的共识算法。经典的分布式一致性算法在多数的论文中一般被叫做共识算法，在这里，我为了与区块链的共识算法做出区别，所以在命名上改成了分布式一致性算法，但是它们要解决的问题是一样的。
共识算法与分布式一致性算法

1. 经典的分布式一致性算法
经典分布式一致性算法有 Raft 协议，Raft 协议是一种强 Leader 的一致性算法，它的吞吐量基本就是 Leader 的吞吐量，它无法抵御节点恶意篡改数据的攻击。
稍微复杂一点的就是 Paxos 协议，Paxos 能提供不同场合不同种类的一致性算法，所以 Paxos 有很多变种，经典 Paxos 是 Leaderless 的，有变种是强 Leader 型的，叫做 Fast Paxos，有关 Paxos 的文献非常丰富，这里就不赘述了。
以上两种都是不提供拜占庭容错的系统，下面介绍一种具有拜占庭容错的一致性算法。
PBFT 全称实用性拜占庭容错系统（Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT)，PBFT 是一种状态机，要求所有节点共同维护一个状态，所有节点采取的行动一致，PBFT 非常适合联盟链等对性能具有较高要求的场合，超级账本项目中的 Fabric 框架默认采用的就是 PBFT 的修改版本。
2. 区块链共识算法
区块链的共识算法，我在某些场合直接称作基于经济学的博弈算法，以区别于经典分布式一致性算法思路，它的整体思路就是让攻击者的攻击成本远远大于收益。
区块链中的共识算法目前具有工业成熟度的是 PoW，另外两种比较成熟的是 PoS 和 DPoS，其次还有一些变种和单一币种使用的共识算法，例如 Ripple 共识、PoC 共识（概念性证明）、PoE 共识（存在性证明）。
在使用 PoW 共识算法的情况下，容错阈值是 50%，而 PBFT 及其变种的容错阈值是 33% 左右，这里的百分比是指作弊节点占全网节点的比例。
PoX 类的算法其实都延续了 PoW 的设计理念，相比较经典分布式一致性算法，PoX 类算法通过概率选择记账者降低了潜在的提案者，另外是延长了达成最终一致性的时间。
第一条降低了系统通信复杂度，每次记账系统的确定性其实是概率确定的，又由于被选中需要付出成本，此处才提高了记账成本阈值，结合区块链的基础代币设计，是一个非常天才的想法。
总结

今天我们从相亲大会开始说起，介绍了分布式系统所面临的问题，之后，我们又引出了区块链所要解决的拜占庭容错问题，并重点介绍了分布式系统的基本定理，最后我还介绍了经典共识算法和区块链算法。区块链并没有逃离分布式系统这个理论框架，希望今天的内容能够帮助你分辨出真实的区块链项目。


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最后还是那句话，2018年是区块链发展元年，未来区块链会是一个新的发展趋势，错过了这个风口，你将会像当年错过互联网时代、错过电商、错过微商时代一样，再一次错过整个区块链时代。
写文章总要有结束语，最后用一段话来做结束语：1、关于区块链发展：短期是底层技术，中期是应用场景，长期是改造社会。
2、关于区块链参与各方：币圈看到流量，链圈看到共识，玄学圈看到革命。
3、关于区块链怎么改造社会：短期是通证和激励，中期是货币和经济，长期是社会。
4、关于应用落地：前期是比特币和炒币工具，短期是公链，中期是轻应用，长期是去中介化场景。
5、关于炒币：长期看人口，中期看供求，短期看监管。
6、关于区块链本质：一边是技术，一边是通证，一边是社区，链币社区不分家。
7、关于技术模型：短期看共识机制，中期看操作系统，长期看DAPP生态。
8、关于通证模型：短期看发币上市，中期看总量机制，长期看生态使用，终极看通证经济体的参与各方利益平衡。
9、关于社区治理：短期是自发自理，中期是社区政治，长期是代码法治。

10、关于通证社区经济体：以前是公司制，现在有非盈利组织，以后是通证社区，终极是人的自由联合。