區塊鏈通識——共識層

一丶概述及拜占庭將軍問題

（一）共識機制是區塊鏈技術的基礎和核心
（二）共識機制決定參與節點以何種方式對某些特定的數據達成一致，共識機制可以分爲經典分佈式共識機制和區塊鏈共識機制
（三）經典共識是確定性共識，即網絡中的節點要麼達成共識，要麼不達成共識，如如經典的拜占庭將軍問題
（四）信任解決問題：1980年Lamport提出，解決網絡中存在拜占庭節點（惡意或故障節點）

• 拜占庭帝國想要進攻一個強大的敵人，爲此配出了10支軍隊去包圍這個敵人，這個敵人雖不比拜占庭帝國，但也足以抵禦5支常規拜占庭軍隊的同時襲擊
• 基於一些原因，這10支軍隊不能集合在一起單點突破，必須在分開的包圍狀態下同時攻擊
• 他們任一支軍隊單獨進攻都毫無勝算，除非有至少6支軍隊同時襲擊才能攻下敵國
• 他們分散在敵國的四周，依靠通信兵相互通信來協商進攻意向以及進攻時間
• 困擾這些將軍的問題是，他們不確定他們中是否有叛徒，叛徒可能擅自變更進攻意向或者進攻時間
• 在這種狀態下，拜占庭將軍們能否找到一種分佈式的協議來讓他們能夠遠程協商，從而贏取戰鬥？
• 這就是著名的拜占庭將軍問題
  
  

二丶區塊鏈共識

（一）2008年，Nakamoto提出比特幣POW共識機制，使用工作量證明的方法解決拜占庭問題，保證有很大的概率共識不會被篡改，首次實現，驗證了一類大規模可使用的拜占庭容錯算法，共識機制進入區塊鏈共識時代
（二）目前區塊鏈共識根據准入機制可分爲兩大類

• 一類是授權共識（primissioned consensus）機制，授權網絡中節點一般通過公鑰基礎設施（public keyinfrastructure,PKI）完成身份認證後，才能參與後續共識機制
• 另一類是以比特幣爲代表的非授權共識（peimissionless consensus）機制，非授權網絡中，節點隨時加入和退出，節點數量動態變化且不可預知，非授權共識通過特定算法完成出塊者（block proposer）選舉，區塊生成和節點驗證更新區塊鏈等過程
• 前者構成的鏈被稱爲聯盟鏈，後者構成的鏈被稱爲公鏈

三丶基本流程

（一）選主：選取出塊節點，==“出塊者”==是指區塊鏈中負責產生區塊的節點，又被稱爲記賬者

• 單節點
• 委員會（考慮女巫 攻擊）

（二）造塊：將一段時間內網絡中產生的交易數據打包放到當前區塊中

• 區塊頭
• 區塊體
• 交易或者數據通常根據區塊容量，交易費用，交易等待時間等多種因素綜合排序

（三）驗證：廣播並驗證區塊
（四）上鍊：記賬節點將新區塊添加到主鏈，更新本地鏈

四丶PoW共識

（一）搜索當前時間段的全網未確認交易，並增加一個用於發行新比特幣獎勵的Coinbase交易形成當前區塊體的交易集合
（二）計算區塊體交易集合的Merkle根記入區塊頭，並填寫區塊頭的其他元數據，其中隨機數Nonce置零
（三）隨機數Nonce加1；計算當前區塊頭的雙SHA256哈希值，如果小於或等於目標哈希值，則成功搜索到合適的隨機數並獲得該區塊的記賬權；否則繼續步驟3直到任一節點搜索到合適的隨機數爲止
（四）如果一定時間內未成功，則更新時間戳和確認交易集合，重新計算Merkle根後繼續搜索