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    共識算法:計算機(jī)如何共同達(dá)成協(xié)議并保持安全

    2023年09月12日 16:35:32   來源:51CTO

      譯者 | 劉濤

      在去中心化網(wǎng)絡(luò)的世界里,計算機(jī)需要在沒有中心權(quán)威控制的情況下協(xié)作。共識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,我們將以簡單的術(shù)語探索共識算法的奧秘。我們將了解這些智能系統(tǒng)如何確保所有計算機(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)計算機(jī)如何在一個沒有中心權(quán)威控制的數(shù)字世界中團(tuán)隊協(xié)作并保持安全!

      共識算法

      簡單來說,共識算法就是計算機(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

      想象這樣一個場景,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文件并對其進(jìn)行修改。然而,為避免混亂,他們需要就文檔的同一個版本達(dá)成一致。

      共識算法的實(shí)際應(yīng)用

      還是以上述一群朋友共享數(shù)字文檔的場景為例:

      愛麗絲對文檔提出了修改建議,在文末添加一個新段落。

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

      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,對文檔進(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,他們知道這個版本已經(jīng)被公認(rèn)為有效文件了。

      在這個例子中,朋友們通過對文檔修改建議進(jìn)行投票,使用了一個簡單的共識算法。多數(shù)人的意見統(tǒng)一才能保證文檔的一致性,每個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)共識算法

      在 PoS 共識算法中,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)會被選為區(qū)塊提議者。

      區(qū)塊驗(yàn)證:一旦一個校驗(yàn)者提出新的區(qū)塊,其他校驗(yàn)者就會檢查區(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,它就會被添加到區(qū)塊鏈中。共識是通過這些校驗(yàn)者的協(xié)議達(dá)成的,因?yàn)樗麄冇薪?jīng)濟(jì)動機(jī)誠實(shí)行事,否則他們就會面臨失去抵押代幣的風(fēng)險。

      實(shí)例展示

      想象一群朋友運(yùn)營一個類似以太坊的網(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。

      1. 校驗(yàn)者:在他們的網(wǎng)絡(luò)中,每一個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個以太幣,鮑勃抵押了5個以太幣,查理抵押了8個以太幣。

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

      3. 區(qū)塊驗(yàn)證:愛麗絲提議了一個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,對交易進(jìn)行檢查,以確保其合法性。

      4. 達(dá)成共識和最終確定性:如果鮑勃和查理對愛麗絲提出的新區(qū)塊的提議表示贊同,他們就會將其添加到區(qū)塊鏈中。作為提出該新區(qū)塊的校驗(yàn)者,愛麗絲會獲得一定的交易手續(xù)費(fèi)作為獎勵,然后這個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。

      在這個實(shí)例中,朋友們通過輪流提出新的區(qū)塊并通過PoS共識算法對其進(jìn)行驗(yàn)證,從而維護(hù)他們共享的財務(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)而獲得獎勵的機(jī)會就越大。

      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。這種無代價的做法會助長不誠信的行為,導(dǎo)致無法達(dá)成共識,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,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,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,就準(zhǔn)備好另外一個可替代的區(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以前的交易。他開始從第一個區(qū)塊創(chuàng)建一個可替代的區(qū)塊,并將其隱藏起來。隨著時間推移,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)他終于公開這個被他隱藏起來的更長區(qū)塊鏈時,整個網(wǎng)絡(luò)都會對區(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,參與者會喪失對區(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。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,請記住共識算法在保持每件事同步和確保計算機(jī)之間的完美協(xié)作方面所發(fā)揮的重要作用。

      感謝您加入我們對共識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)上線檢測管控負(fù)責(zé)人。

      文章內(nèi)容僅供閱讀,不構(gòu)成投資建議,請謹(jǐn)慎對待。投資者據(jù)此操作,風(fēng)險自擔(dān)。

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