王嘉平：PoW 解決了比拜占庭將軍更困難的問題

工作量證明方案解了一個比拜占庭將軍問題更難更挑戰的問題，就是在參與者集合未知的情況下，實現共識的一致性。

原文標題：《簡版 區塊鏈本質論 (2): 共識本質》
作者：王嘉平，中科院計算所博士，曾帶領團隊在 NSDI 2019 發表高性能並行分片區塊鏈系統的論文

區塊鏈被大家關注是件好事情，但非常不希望看到各種區塊鏈項目盲目上馬，造成各種社會資源的浪費。區塊鏈技術本身尚在發展階段，還有很多核心技術問題有待突破，對區塊鏈技術本質還充斥著各種不同的理解。後面幾天我們將就區塊鏈的計算本質，技術難點，業務調整，社會影響等方面和大家分享。

(2) 共識機制

提到區塊鏈，Consensus 是其中最為大家關注的一個新概念，被翻譯成共識機制，或共識演算法，或共識協議。這個東西到底是幹嘛的呢？共識機制本質是一個解決方案，當一個分散式系統裡面出現不一致的情況時，我們如何最終裁定一個唯一的大家公認的結果，消解這個不一致性。注意了，這裡共識僅僅指分散式系統裡面的一個演算法方案，和我們通常意義上的輿論呀，社會認同呀，組織關係呀什麼的，毫無關係，就像是雷鋒和雷鋒塔一樣。別被忽悠了 ...

為什麼區塊鏈會需要共識機制呢，究其根本，源自於 上一篇 講到的區塊鏈的計算本質。

因為在區塊鏈系統中，計算是通過全網各方接力完成的，在去中心化的區塊鏈網路中，並沒有一個總指揮來分派這個接力過程，那麼即使沒有惡意攻擊，也難免會發生己方爭搶接力的情況，從而導致整個系統中出現多個不一致的接力結果。而共識機制所起得作用，就是在這個時候最終認定，哪個結果該留下來，後面按這個接著走；哪個結果會被拋棄。

對於這個問題，很早在分散式系統領域，為了解決容錯問題，早有答案，並被歸納為一個叫做拜占庭將軍問題 (The Byzantine Generals Problem)，其對應的有效解決方案成為拜占庭容錯 (Byzantine Fault Tolerance)，就是經常聽到的 BFT。早在 2007 年，這個問題就有了高效的演算法 (PBFT)，但是為什麼 2008 年末，中本聰發表的比特幣系統設計方案中卻採用了完全不同的設計，而沒有採用 BFT 類的演算法呢？

我們先看看容錯是什麼？假設有 100 個感測器，在觀測比如機器是否正常運轉。那麼如果有一部分的感測器壞了，給出了不正確的觀測值，我們該如何最終推斷正確的觀測結果呢？這個就是容錯。當然，邏輯上的解法正如你現在直接想到的，少數服從多數，事實上也確實如此簡單。當然實際的演算法中要互相傳遞和迭代最終認定的結果 (基於數字簽名)，要限制結果認定的時間期限 (所謂的 epoch)，要處理多數不夠多的情況等。

從上面的例子可以看到，在 BFT 中，少數服從多數的這個數，來自於多少個共識的參與者。這個參與者的總是必須是預先設定好的。這意味著誰是參與者，得有個預先協商和設定的過程，在區塊鏈系統中，有個叫法，叫做聯盟鏈或者許可鏈 (permissioning blockchain system)。這就是為什麼叫做拜占庭將軍問題，因為你得先是一個將軍，那麼問題來了，誰來批准你成為一個將軍呢？

這就是比特幣系統一開始不採用 BFT 演算法的本質原因。在比特幣系統中，並沒有一個參與者的批准過程，任何人都可以直接參与這個共識過程，即所謂的公鏈或者叫無需許可鏈 (permissionless blockchain system)。這是，我們如何利用少數服從多數呢？我們連總共有多少個參與者都不知道。這個部分就是比特幣系統設計最耀眼的部分。很多人不明白這件事情，就覺得比特幣系統好像就是一堆現有技術的堆砌，沒什麼技術含量。

在比特幣系統中，少數服從多數的這個數，不再是多少個共識的參與者，而是一次次的哈希部分碰撞的計算結果。然後結合最長鏈規則來形成共識，即所謂的工作量證明 (Proof-of-Work)。從這裡大家可以看到，工作量證明方案解了一個比拜占庭將軍問題更難更挑戰的問題，就是在參與者集合未知的情況下，實現共識的一致性。當然演算法具體實現還有不少細節，工作量證明的難度調整呀，一致性後置的最長鏈原則，以及後面被改進的最重子樹的原則等。

接著有了所謂的資產證明 (Proof-of-Stake) 共識系統，利用資產的數量來定義這個少數服從多數的這個數。利用資產的數量先行定義 BFT 共識演算法中所需要的這個預設的參與者集合。這樣，也可以實現無需許可鏈。也是一個不錯的辦法，只是，一開始初始的資產從何而來呢？

最後提一句性能，也就是吞吐量的事兒。很長一段時間大家以為吞吐量由共識演算法決定，然後事實上並不是這樣。上面提到的集中共識演算法，都可以設定任意的塊大小和出塊間隔，來現實需要的吞吐量和塊確認延遲。只要，整個底層網路有足夠的帶寬。下一篇，我們會著重聊聊這個事情。