我們這邊再次總結一下 Blockchain 中幾點較重要的性質,包含共識機制、不可竄改、經濟激勵三項。

共識機制(Consensus)

在分散式系統中,我們需要有一套用於協同合作的共識機制來組織行動,但有時候系統中的成員可能會出錯或是故意傳送出錯誤的資訊,而使得網路中不同成員對於全體協作的策略得出不同的結論,進而破壞系統的一致性,這就是所謂的拜占庭將軍問題。

拜占庭將軍問題(Byzantine Generals Problem)

拜占庭將軍問題這個故事是這樣的:

一組拜占庭將軍分別各率領一支軍隊共同圍困一座城市,這個敵人雖不比拜占庭帝國,但也足以抵禦 5 支拜占庭軍隊的同時襲擊。這 10 支軍隊在分開的包圍狀態下,他們任 1 支軍隊單獨進攻都毫無勝算,除非有至少 6 支軍隊(一半以上)同時襲擊才能攻下敵國。他們分散在敵國的四周,依靠通信兵騎馬相互通信來協商進攻意向及進攻時間。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,拜占庭將軍們才能保證有多於 6 支軍隊在同一時間一起發起進攻,從而贏取戰鬥?

上述的故事對映到電腦系統裡,將軍便成了電腦,而通信兵就是通訊系統。叛徒發送前後不一致的進攻提議,被稱為「拜占庭錯誤」,而能夠處理拜占庭錯誤的這種容錯性稱為「Byzantine Fault Tolerance」。Blockchain 上的共識機制通常具有容錯的設計來達成一致性,主要比較常見的共識機制方法有兩個,「工作量證明」以及「股權證明」兩種方法。

工作量證明演算法(Proof of Work, PoW)

中本聰在 Bitcoin 中創造性的引入了「工作量證明」(俗稱挖礦)來解決拜占庭將軍問題,顧名思義,工作量證明就是用來證明你做了一定量的工作,可用工作成果來證明完成相應的工作量。其中的工作技術原理可以看之前這篇文章:Ethereum 開發筆記 1–4:Blockchain 技術原理簡介

由於工作量證明具相當高的計算成本,因此無誘因去偽造,只有遵守協議約定,才能夠回收成本並獲得收益,也因此減少了叛徒的產生,減少拜占庭錯誤。

股權證明演算法(Proof of Stake, PoS)

股權證明的出現,主要是希望取代工作量證明,進而減少「挖礦」的大量運算。它與工作量證明不同地方在於:工作量證明中,大家比的是「算力」(運算能力),透過大量運算得出符合難度的 Hash 值,進而得到獎勵;而在股權證明,大家比拼的是「股權」,「股權」越大的人(節點)越大機會負責產生新區塊,進而得到獎勵。

舉例來說,在股權證明系統中所有擁有股權(此 Blockchain 的數位貨幣)的人都有機會被挑選為產生新區塊(也就是記帳)的人,擁有更多股權的人被選中的機率越大。假這這個系統中共有三個人:Alice 持有 50 股、Bob 持有 30 股、Cathy 持有 20 股,那每次 Alice 被選為記帳人的機率會是 Cathy 的兩倍。所以股權證明會驅使人們購買更多的股權,進而增加獲選為記帳人的機率,以買股權來代替挖礦,同樣需要付出高成本,也因此可以減少叛徒的產生,減少拜占庭錯誤。

不可竄改(Immutability)

Blockchain 不可竄改的性質主要來自資料結構及 hash 方式的設計,讓資料的順序緊密鏈結,若從中竄改了某些資料,那之後的鏈結 hash 都會發生錯誤,形成了 Blockchain 不可竄改的特性。

在之前《Ethereum 開發筆記 1–4:Blockchain 技術原理簡介》中有部影片可以很清楚地了解為何 Blockchain 不可竄改(除非擁有全網路 51% 以上算力,否則基本上無法竄改),我們可以再看一次這部影片:

經濟激勵(Economic Incentives)

Blockchain 通常會有經濟激勵的設計,如此 Blockchain 上的記帳人(礦工)便可以得到獎勵,進而繼續維持共識機制運作。反過來說在 Blockchain 上進行交易的人就需要支付費用,除了可以用於獎勵礦工之外,其實也是為了 Blockchain 的安全,讓攻擊者無法大量發送交易攻擊 Blockchain 的網路,通常 Blockchain 會在交易量大時提高交易費,也因此攻擊者越是發送大量交易就需要付出越多成本,基本上不可行。

而在 Ethereum 上交易費又稱為 Gas Fee,Gas Fee 由 Gas Price 與 Gas Limit 相乘得出,會有這樣的設計主要是因為 Ethereum 上可以運行程式,攻擊者可能在程式上寫了惡意的無窮迴圈用以耗盡礦工算力,Gas Limit 會在計算時消耗,也因此無窮迴圈程式會在 Gas Limit 耗盡時停止,攻擊者便會失去 Gas Fee,這樣的攻擊方式基本上不可行。

結語

以上就是 Blockchain 中幾點較重要的性質,Blockchain 經常被視為一個信任機器(Trust Machine),這個信任是由分佈在網絡各處的節點透過無法竄改(Immutability)的運算證明所達成的共識(Consensus)所形成,共識機制就是驅動 Blockchain 這個信任機器運轉的引擎,而其中的經濟激勵(Economic Incentives)就是驅動 Blockchain 引擎的燃料。

Fukuball

我是林志傑,網路上常用的名字是 Fukuball。我使用 PHP 及 Python,對機器學習及區塊鏈技術感到興趣。 https://www.fukuball.com

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