共識(shí)算法：計(jì)算機(jī)如何共同達(dá)成協(xié)議并保持安全

　　譯者 | 劉濤

　　在去中心化網(wǎng)絡(luò)的世界里，計(jì)算機(jī)需要在沒有中心權(quán)威控制的情況下協(xié)作。共識(shí)算法是幫助它們合作并找到共同基礎(chǔ)的關(guān)鍵所在。這些算法確保網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)對(duì)真實(shí)信息以及虛假信息地達(dá)成一致，以保證數(shù)據(jù)安全和交易有效性。

　　在這篇博客中，我們將以簡(jiǎn)單的術(shù)語探索共識(shí)算法的奧秘。我們將了解這些智能系統(tǒng)如何確保所有計(jì)算機(jī)狀態(tài)一致，以及它們?nèi)绾畏婪镀墼p性攻擊。做好準(zhǔn)備，來發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)如何在一個(gè)沒有中心權(quán)威控制的數(shù)字世界中團(tuán)隊(duì)協(xié)作并保持安全!

　　共識(shí)算法

　　簡(jiǎn)單來說，共識(shí)算法就是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)在某些問題上達(dá)成一致，比如共享數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)或交易的有效性。它確保網(wǎng)絡(luò)中的所有計(jì)算機(jī)保持狀態(tài)一致，平穩(wěn)協(xié)作。

　　實(shí)例展示

　　想象這樣一個(gè)場(chǎng)景，一群朋友在網(wǎng)絡(luò)文件夾中共享一份數(shù)字文檔。所有人都可以訪問這個(gè)文件并對(duì)其進(jìn)行修改。然而，為避免混亂，他們需要就文檔的同一個(gè)版本達(dá)成一致。

　　共識(shí)算法的實(shí)際應(yīng)用

　　還是以上述一群朋友共享數(shù)字文檔的場(chǎng)景為例：

　　愛麗絲對(duì)文檔提出了修改建議，在文末添加一個(gè)新段落。

　　網(wǎng)絡(luò)中的另外兩個(gè)朋友鮑勃和查理看到了愛麗絲的建議，并表示贊同。他們對(duì)這項(xiàng)修改投了贊成票。

　　由于大多數(shù)朋友(超過一半)同意這一調(diào)整，所以小組成員達(dá)成共識(shí)，對(duì)文檔進(jìn)行了相應(yīng)修改。

　　現(xiàn)在，所有朋友都可以看到更新后的版本，他們知道這個(gè)版本已經(jīng)被公認(rèn)為有效文件了。

　　在這個(gè)例子中，朋友們通過對(duì)文檔修改建議進(jìn)行投票，使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的共識(shí)算法。多數(shù)人的意見統(tǒng)一才能保證文檔的一致性，每個(gè)人都在處理相同的信息。

　　在更復(fù)雜的系統(tǒng)中，比如區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)(例如比特幣或以太坊)，共識(shí)算法在驗(yàn)證和保障交易的安全性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而不需要中心權(quán)威控制。算法確保網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)就交易順序和有效性達(dá)成一致，維護(hù)區(qū)塊鏈和參與者之間共享信息的完整性。

　　以太坊中的權(quán)益證明(PoS)共識(shí)算法

　　在 PoS 共識(shí)算法中，根據(jù)“抵押"或凍結(jié)的代幣數(shù)量(以太幣)來選擇校驗(yàn)者，從而創(chuàng)建新的區(qū)塊并保障網(wǎng)絡(luò)安全。一個(gè)校驗(yàn)者抵押的以太幣數(shù)量越多，其被選中提議和驗(yàn)證區(qū)塊的機(jī)會(huì)就越大。

　　工作原理

　　校驗(yàn)者：在 PoS 系統(tǒng)中，部分節(jié)點(diǎn)被選為校驗(yàn)者。要成為校驗(yàn)者，節(jié)點(diǎn)需要"抵押"一定數(shù)量的加密貨幣(在這里是以太幣)作為擔(dān)保。抵押的以太幣越多，被選為校驗(yàn)者的機(jī)會(huì)就越大。

　　區(qū)塊提議者：校驗(yàn)者輪流成為“區(qū)塊提議者”來創(chuàng)建新的交易區(qū)塊。抵押數(shù)量最高的校驗(yàn)者通常有更高的機(jī)會(huì)被選為區(qū)塊提議者。

　　區(qū)塊驗(yàn)證：一旦一個(gè)校驗(yàn)者提出新的區(qū)塊，其他校驗(yàn)者就會(huì)檢查區(qū)塊內(nèi)交易的合法性，確保它們符合網(wǎng)絡(luò)規(guī)則，并且不是欺詐性行為。

　　達(dá)成共識(shí)和最終確定：如果大多數(shù)校驗(yàn)者同意提議的區(qū)塊有效，它就會(huì)被添加到區(qū)塊鏈中。共識(shí)是通過這些校驗(yàn)者的協(xié)議達(dá)成的，因?yàn)樗麄冇薪?jīng)濟(jì)動(dòng)機(jī)誠實(shí)行事，否則他們就會(huì)面臨失去抵押代幣的風(fēng)險(xiǎn)。

　　實(shí)例展示

　　想象一群朋友運(yùn)營(yíng)一個(gè)類似以太坊的網(wǎng)絡(luò)，來跟蹤他們的共同費(fèi)用和交易。他們使用權(quán)益證明(PoS)來達(dá)成共識(shí)。

　　1. 校驗(yàn)者：在他們的網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)人都要拿出自己一定數(shù)量的以太幣作抵押，才能成為校驗(yàn)者。愛麗絲抵押了10個(gè)以太幣，鮑勃抵押了5個(gè)以太幣，查理抵押了8個(gè)以太幣。

　　2. 區(qū)塊提議者：由于愛麗絲抵押的以太幣最多(10 個(gè)以太幣)，她在第一輪中被選為區(qū)塊提議者的機(jī)會(huì)更大。

　　3. 區(qū)塊驗(yàn)證：愛麗絲提議了一個(gè)包含最近交易的新區(qū)塊。鮑勃和查理像其他校驗(yàn)人員一樣，對(duì)交易進(jìn)行檢查，以確保其合法性。

　　4. 達(dá)成共識(shí)和最終確定性：如果鮑勃和查理對(duì)愛麗絲提出的新區(qū)塊的提議表示贊同，他們就會(huì)將其添加到區(qū)塊鏈中。作為提出該新區(qū)塊的校驗(yàn)者，愛麗絲會(huì)獲得一定的交易手續(xù)費(fèi)作為獎(jiǎng)勵(lì)，然后這個(gè)朋友圈組成的類以太坊網(wǎng)絡(luò)就進(jìn)入下一輪區(qū)塊生成流程。

　　在這個(gè)實(shí)例中，朋友們通過輪流提出新的區(qū)塊并通過PoS共識(shí)算法對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，從而維護(hù)他們共享的財(cái)務(wù)記錄。他們抵押的以太幣越多，成為校驗(yàn)者并因保護(hù)網(wǎng)絡(luò)而獲得獎(jiǎng)勵(lì)的機(jī)會(huì)就越大。

　　以太坊權(quán)益證明(PoS)可能遭遇的攻擊

　　以下用實(shí)際例子更詳細(xì)地說明以太坊的權(quán)益證明(PoS)共識(shí)算法可能遭受的一些常見攻擊：

　　無成本攻擊(Nothing-at-Stake Attack)

　　描述：在PoS中，校驗(yàn)者可以去創(chuàng)建和驗(yàn)證多個(gè)沖突的區(qū)塊鏈版本，而不需要承擔(dān)任何成本。這種無代價(jià)的做法會(huì)助長(zhǎng)不誠信的行為，導(dǎo)致無法達(dá)成共識(shí)，從而降低了安全性。

　　實(shí)例：想象愛麗絲和鮑勃都是以太坊的校驗(yàn)者。他們沒有就單一的區(qū)塊鏈版本達(dá)成共識(shí)，而是分別創(chuàng)建和驗(yàn)證不同的區(qū)塊鏈，也不需要承擔(dān)真正的后果。這會(huì)引起混亂，損害了網(wǎng)絡(luò)的安全性。當(dāng)用戶試圖確認(rèn)區(qū)塊鏈的真實(shí)狀態(tài)時(shí)，所得到的信息卻互相矛盾，這使得用戶很難相信系統(tǒng)的完整性。

　　2.長(zhǎng)程攻擊(Long-Range Attack )

　　描述：這類攻擊是指攻擊者在初始區(qū)塊創(chuàng)立時(shí)，就準(zhǔn)備好另外一個(gè)可替代的區(qū)塊版本，然后用它取代當(dāng)前的區(qū)塊鏈。

　　實(shí)例：假定查理想在以太坊中更改一個(gè)以前的交易。他開始從第一個(gè)區(qū)塊創(chuàng)建一個(gè)可替代的區(qū)塊，并將其隱藏起來。隨著時(shí)間推移，查理還在秘密地向自己的替代品中增加更多的區(qū)塊。當(dāng)他終于公開這個(gè)被他隱藏起來的更長(zhǎng)區(qū)塊鏈時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都會(huì)對(duì)區(qū)塊真正的歷史版本感到困惑。參與者很難決定要相信哪條區(qū)塊鏈，致使網(wǎng)絡(luò)變得很容易被操縱。

　　3.無風(fēng)險(xiǎn)套利攻擊(Nothing-to-Stake Attack)

　　描述：在這種攻擊下，校驗(yàn)者抵押的擔(dān)保很少，因此缺乏足夠的動(dòng)機(jī)遵守規(guī)則并誠信行事。

　　實(shí)例：想象夏娃成為以太坊的一個(gè)校驗(yàn)者，卻沒有抵押多少以太幣。由于她沒有太多資金押注，所以她可以不誠信行事而又無須承擔(dān)嚴(yán)重后果。夏娃可能會(huì)驗(yàn)證包含無效交易的區(qū)塊，或支持互相沖突的區(qū)塊鏈，從而破壞網(wǎng)絡(luò)的一致性。因此，參與者會(huì)喪失對(duì)區(qū)塊鏈的有效性的信心，進(jìn)而引發(fā)信任危機(jī)，導(dǎo)致系統(tǒng)可能陷入混亂。

　　4.51% 攻擊

　　描述：在這種攻擊下，攻擊者控制了網(wǎng)絡(luò)中超過51%的投票權(quán)，使其可以控制共識(shí)過程，并可能操縱交易。

　　實(shí)例：一群攻擊者設(shè)法抵押了以太坊網(wǎng)絡(luò)中超過51%的以太幣總量。有了多數(shù)控制權(quán)，他們可以決定哪些區(qū)塊被添加到區(qū)塊鏈中，并排除特定的交易。這種攻擊可能造成同樣的金額兩次支出，造成經(jīng)濟(jì)損失并破壞網(wǎng)絡(luò)的完整性。用戶無法依賴區(qū)塊鏈的精準(zhǔn)性，這導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)的信心崩潰和信任喪失。

　　為了防范這些攻擊，以太坊的 PoS 協(xié)議包含了懲罰抵押和檢查點(diǎn)等安全措施。這些機(jī)制共同保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性，并使參與者能夠達(dá)成共識(shí)。有了這些防范措施，以太坊仍然是安全的，區(qū)塊鏈也可以被信任。共識(shí)算法維護(hù)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，在確保所有參與者能夠充滿信心地協(xié)作方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

　　因此，下次當(dāng)你聽到區(qū)塊鏈或加密貨幣時(shí)，請(qǐng)記住共識(shí)算法在保持每件事同步和確保計(jì)算機(jī)之間的完美協(xié)作方面所發(fā)揮的重要作用。

　　感謝您加入我們對(duì)共識(shí)算法奧秘的探索之旅。

　　譯者介紹

　　劉濤，51CTO社區(qū)編輯，某大型央企系統(tǒng)上線檢測(cè)管控負(fù)責(zé)人。