区块链与共识机制演变史

维基百科这样定义区块链：

区块链（英语：blockchain[1][2][3]或block chain[4][5]）是借由密码学[1][6]串接并保护内容的串连文字记录（又称区块）。

每一个区块包含了前一个区块的加密散列、相应时间戳记以及交易资料（通常用默克尔树（Merkle tree）算法计算的散列值表示）[7]，这样的设计使得区块内容具有难以篡改的特性。用区块链技术所串接的分布式账本能让两方有效记录交易，且可永久查验此交易。

——维基百科词条：区块链

这样的定义固然很正确，但是，一方面，这样的定义依然难以被普通人所理解；另一方面，我们也难以通过这个定义去理解「区块链技术为什么是赛博世界的重要基石」这个命题。

所以，我打算通过一个关于 「王国、国王与黑暗国王」 的寓言故事，来聊聊「到底什么是区块链」。

寓言故事中的对应关系说明：

王国——系统

外界——用户

国王——节点程序（国王和臣民共同构成节点服务器）

臣民——计算资源

黑暗国王——恶意节点程序

角色间关系简述：

• 外界向国王发送请求，请求包含「存储」和「计算」两个部分。
  • 「存储」的例子：帮我存储一个数字/帮我读取一个你之前存储的数字。
  • 「计算」的例子：告诉我 5 + 1 等于几。
• 国王将任务拆解，统筹臣民去完成任务。 例如外界给国王的请求是国王你帮我计算1*2*3*4*……*100，国王将任务拆解成很多小任务，臣民A负责计算1*2、臣民B负责计算3*4…… 暗黑国王可能会实施多种破坏行为例如拦截国王的信使、收到外界的请求后，故意给出错误的回答。如外界问 5 + 1 等于几，故意回答等于 8。

1 单体时代——独裁统治

在很久很久以前，有一个王国，这个王国的国民秩序井然地从事着工作与生活，并向外界提供服务，这个王国仅有一个国王，国王负责给所有臣民下达指令，统筹完成一个个目标。

一切看上去很Okay，直到有一天，国王吃了绿色的蘑菇，食物中毒了。国民失去了指挥，王国陷入瘫痪，提供给外界的服务中断。在上帝救活国王之前，整个国家是停止运作的。

在 1946 年，计算机最初诞生的时候，我们的计算机系统大部分为单体系统。单体系统的最大问题是只要因为各种原因出现单点故障，那么这个系统就会停止运行，直到程序员处理了问题为止。

2 分布式系统时代——共同决策

为了解决这个问题，一个叫做 Lamport 的上帝发明了一种被称为 Paxos 的机制，让多个国王共同治理王国。

治理方式为：外界（用户）向身份为「提议人（Proposer）」的国王发出提案，例如提议调整税率。提议人国王将提案发送给其它的所有国王。其他的国王收到提案后，进行投票表决。多数一致的提案，则通过。因为所有国王都是可信的，所以臣民有疑问的时候，只要咨询任意状态正常的国王即可。

这样的话，即使有一个或几个国王食物中毒，其他的国王依然能按照机制维持王国的运转，王国解决了单体时代存在的问题，迈入了被称为「分布式系统时代」的新时代。

但是，一些新的问题浮现了——

黑暗国王问题：

国王之中出现了「黑暗国王」（可能是原有的国王被邪恶势力劫持）。黑暗国王会恶意伪造信息，例如，即使判断提案合理，依然投出否决票。

信使拦截问题：

国王之间通过信使传递信息。即使没有「黑暗国王」，也可能出现信使被截杀，从而伪造信息的情况。

因此，制度需要进一步升级，可以在存在「黑暗国王」与「信使拦截」问题的情况下，也确保整个国家正常运行。

专业术语版：

1990年，Lamport 发表了一篇论文，提出了 Paxos 共识协议（Paxos Protocols），可以确保在分布式系统在存在非拜占庭错误的情况下，只有有超半数的节点正常运作，那么这个系统就能正常运作。

非拜占庭错误：出现故障( Crash Failures，即不响应）但不会伪造信息的情况称为「非拜占庭错误」( non-byzantine fault）或「故障错误」( Crash Fault）。

拜占庭错误：伪造信息恶意响应的情况称为「拜占庭错误」( Byzantine Fault），对应节点为拜占庭节点^[1]。

3 分布式系统 2.0 时代——允许黑暗

王国在进一步发展，上帝 Castro 和 Liskov 在 Paxos 机制的基础上，提出了新的机制，这种机制被称为 PBFT。这种机制依然是基于投票表决，但是和上一个时代的机制有如下差异：

• 因为有「可能存在黑暗国王」这种前提假设，所以在投票过程中国王会相互通信。这样，假设有黑暗国王A，告诉国王B我同意提案α，但告诉国王C我不同意提案α。在上一个时代，这种行为无从被察觉。但是，现在在B和C收到了A的回答后，由于B和C会互相通信，那么他们核验之后，就会发现A给他们两个的回答不一致。
• 每个国王在收到 2/3*国王总数+1 个其它国王的相同的答复后，会告知提案请求人（Client）自己的答复。
• 当提案请求人接收到 1/3*国王总数+1 个相同的答复后，便确定自己的提案被正确处理了。

这种新的制度无疑是长足的进步，但是依然存在两方面的问题：

1. 国王间需要频繁通信，在国王很多的情况下效率急剧下降；
2. 很难做到让国王随意地加入和退出。

专业术语版：

1999年，Castro 和 Liskov 提出了 PBFT 实用拜占庭容错算法（Practical Byzantine Fault Tolerance Replication Algorithm），该算法可以容纳拜占庭错误和非拜占庭错误。在 PBFT 的假设中，恶意节点可能做出如下行为：

• 可能做出随机的或错误的答复或请求；
• 可能延迟或拒绝应答；
• 可能通过拒绝服务攻击正常节点，使之不能正常提供服务。

设总节点数为 N 个，在恶意节点 ＜ (N-1)/3 的情况下，PBFT 系统可以确保正常运算，不出现节点无法达成一致的问题，

4 区块链时代——自由世界

最终，王国到达了「区块链时代」。一个叫 Satoshi 的上帝引入了一种新的机制，这种机制叫做基于工作量的证明（PoW：Proof Of Work）。然后，Satoshi 给这个王国设立了一个具体的目标——记账。

任何外界人人都可以到这个王国来开设自己的账户，他们所拥有的钱，以及他们的每一笔转账记录，都会被记录到同一个大账本上。国王们只有一个使命：维护账本的唯一性且无前后矛盾。

• 账本唯一——确保能存在一个账本被大家共同认可。
• 无前后矛盾——不会有一笔钱花了两次，例如：小明不能拿五块钱买了冰棍，又拿同一笔钱买了辣条。

需要注意的一点是，和传统的中心化的记账系统不同的是，国王无需关心用户的密码问题。通过被称为密码学的自然法则，国王可以在不知道用户密码的情况下，验证用户是不是花的自己的钱。

简单来说，他们是通过如下机制来达成他们的使命的：

• 外界将他们的交易（交易举例：我要把10块钱转给小明）寄送给任意一个在线的国王。
• 收到交易的国王将这些交易寄送给其它的国王。

• 所有收到交易的国王要做出一道算术题，才可以将交易打包进一个区块里。区块是这个大账本中的基本单元，多笔交易包含在一个区块里。

  这个算术题有两个特点：

  1）算术题的难度是动态调整的，调整根据是最近2016个区块的叠加速度，如果过去区块叠加速度快了，那么就把算术题难度调大；如果过去区块叠加速度慢了，就把算术题难度调小。任意国王根据自己本地的账本就能计算出来。正是这个动态调整机制，确保了记账速度平均是 10 分钟出一个区块。也就是你发一笔交易，平均来说10分钟左右，你的交易会被记录到大账本里。

  2）交易的「身份证号」和上一个区块的「身份证号」是这个算术题中的变量之一，这样确保没有人能「抢跑」，提前把算术题算好。

  信息的「身份证号」：通过一种被称为哈希的方法，任意信息都能生成一串固定长度的「身份证号」。一堆交易可以生成一个身份证号，一个区块也可以生成一个身份证号。每一块数据的身份证号都是独一无二的。如果别人同时给我们数据和身份证号，那么我们可以用数据算出身份证号，然后看下我们自己计算出的数据的身份证号和别人给的是否一样，从而判断数据是不是被篡改过。

• 做出算术题的国王，把新的区块放到上一个区块的上面，也即给大账本添加了一些包含在区块中的新的交易，同时把新的区块寄送给其它国王。

• 其它国王收到区块后，验证区块的正确性——验证区块里面的交易是不是正确、算术题的答案是不是正确等等。如果验证通过，那么其它国王也会把这个区块放在他们本地的上一个区块上面。这时，他们再做算术题，就要依据新的区块的「身份证号」了。

  区块链中的链式结构：每一个区块中都包含了上一个区块的「身份证号」。

  一方面，这种结构让我们可以从最后一个区块追溯到最开始的那个区块。

  另一方面，这种结构也让过去的区块不能改动。因为一旦发生改动，这个区块的身份证号就变了，和已经保存在下一个区块里的这个块的身份证号就对不上了。

• 在整个过程里，所有国王坚持一个原则：始终把区块数量最多的账本视为唯一账本。这样，一方面确保了有一个被所有国王都认同的唯一账本；另一方面，即使偶然出现了出现了两个具有相同区块数量的账本，那么就让各个国王在自己收到的账本上，继续叠加区块，那么最终一定会有一个账本「脱颖而出」，成为包含区块数量最多的账本。
• 做出算术题的国王是有奖励的。这个奖励作为一笔特殊的交易写在这个国王打包的区块里。这个交易的内容用大白话就是：「系统奖励给打包这个区块的国王 α N元」。国王们在最开始的时候已经商量好了，这个 N 每四年减半，所以，这个系统里的钱的总量是固定的。

如果你是通过本文第一次接触区块链，那么上面的机制会有些复杂，可以先略过不看，仅领略这件事情达到的目标就行了，也就是——

「实现了一个所有国王共同维护的大账本，记录所有用户的交易记录，这个大账本可以确保全世界只有唯一的一份」。

在这个新的机制下，分布式系统 2.0 时代的问题被解决了。我们现在可以：

1. 容纳无数个国王。不管国王有多少个，1 个或 100000000 个，记账速度始终是平均 10 分钟一个块。
2. 国王可以随意上线或下线。因为只要有 1 个国王能做出系统出的计算题，那么这个系统就能正常运行。

专业术语版：

中本聪（Satoshi Nakamoto）在 2008 年发布了题为《比特币：一种点对点式的电子现金系统》的论文，该论文中提出了一种和传统的 BFT 共识机制不同的思路，通过工作量证明（PoW），可以让系统在能容纳拜占庭错误与非拜占庭错误的前提下，将通信复杂度从 BFT系列共识算法 的O(N^2)降低到O(N)，确保无论节点有多少，全网打包出块的速度是平均 10 分钟一个块。

在该论文中，这种新的共识机制被用于一个被称之为「比特币」的分布式记账系统。记账系统中的货币被称之为比特币。同时，为了确保会有节点自愿加入系统，参与区块打包，该论文中还设计了货币发行机制兼出块奖励机制。

2009 年，比特币系统正式开始运行，这是历史上第一个区块链系统。

5 新区块链时代——群雄逐鹿

在上一个时代，区块链这个概念正式登上了历史舞台。

但是，第一个区块链系统——比特币的目的非常纯粹，就是记账。此外，它还存在一个问题：因为国王们都在争做计算题，所以对计算资源与电力都会造成大量消耗。

因此，上帝们又有了新的想法：

1）区块链这种链式结构很好，我们不仅能用它来记账嘛，我们还可以用来做些别的什么，例如在交易里带上指令，在让所有的国王同时运行一个程序？——这个想法被付诸实践，也就成为了现在被人们所熟知的智能合约技术。

2）我们能不能在PBFT（分布式系统 2.0 时代）这类机制的基础上做改进，或者用另一种方式来确认哪个国王能出块？——这个想法被付诸实践，也就成为了现在五花八门的共识机制，除了 PoW、BFT 以外，还有 PoS（基于权益的证明）、PoC（基于容量的证明）等等等等。

3）系统中一定要有代币作为奖励吗？如果没有代币，只是做一个相较于传统的「分布式系统」具有更高自由度、开放度的「超级分布式系统」（我们依然称之为区块链），可以吗？——这个想法被付诸实践，也就成为了现在我国新基建的重要组成部分——「联盟链」。

6 总结

笔者认为，放到分布式系统发展的整个历程中去看，我们会发现区块链实际上是计算机技术发展的必然产物，从而真正地理解「区块链是什么」这个命题。

而「区块链是什么」这个命题，正是「为什么我们需要区块链」、「区块链究竟有哪些落地应用」、「为什么我国将区块链视为新基建的重要组成部分」等等关于区块链的命题的基础与原点，就像是直角坐标系中的（0, 0）。

理解了原点，便可以说，我们已经迈入了「区块链世界」的大门，这个世界里有许多新的机会、可能与想象空间。

欢迎来到区块链世界：）。

- [1] [区块链技术指南

本文作者： 李大狗

简介： 李骜华（李大狗），上海对外经贸大学区块链技术与应用研究中心副主任，柏链教育CTO，首批FISCO BCOS（微众银行区块链框架）区块链认证讲师，5年区块链工程师，北京大学硕士

研究领域包括：区块链系统、共识机制、智能合约、区块链应用、数字身份等。

个人二维码：

<img src="https://tva1.sinaimg.cn/large/008i3skNgy1gsgjc1rjccj30e80eaadk.jpg" alt="qr_code2" style="zoom:50%;" />