坎坷的“共识机制”之路——区块链技术引卷之一

如果说商业活动是驱动人类文明发展的一架马车，那么价值记录则是马匹的四只蹄铁。自人类500年前发明复式记账以来，价值记录 工具 、方法随着科技的进步发生了一次次翻天覆地的变化，以区块链为代表的分布式记账也是其中之一。本文将从阐述分布式和非中心化的基本思想开始，带领读者了解区块链及其共识机制，为什么共识在区块链里得以扮演如此重要的角色。

摘要

区块链可以看作一个非中心化分布式的账本，参与交易的各方共同维护着同样的账本记录，这意味着各节点都保存账本的完整副本，并认可账本的正确性，没有一个节点能够完全控制记账的权利。它实现了人类记账规则与记账方式的重要突破，从而为线上价值转移提供了基础。

但绝对可靠的分布式对等系统是不存在的。由于组成分布式对等系统各节点的地理位置不同、网络延迟的存在，节点间的通信总是存在不可预测的延迟，因此不同节点对其接收到消息的先后顺序有不同的判断，这种消息处理模式称为异步模型。除了节点通信过程会发生意外，有时组成网络本身的各节点也会发生故障，表现出不可预测行为，它的存在是设计开放式区块链网络共识机制时必须考虑的因素。

FLP不可能原理表明：异步的分布式系统中不存在能容错（Fault Tolerant）的狭义共识算法。CAP原理表明： 分布式系统最多只能同时满足一致性、可用性和分区容错性中的两项特性。

我们根据区块链网络的特点作出有别于传统分布式系统的CAP定义，并以BTC及其共识机制工作量证明（PoW）为例， 分析其共识机制的原理与过程，从密码学、概率论、博弈论的角度说明最终一致性的可实现性。 以及为了满足实际应用场景的需求，PoW如何在一致性、可用性和分区容忍性实现完美平衡。我们还将分析节点可能对区块链网络发动的恶意攻击，并阐明PoW有一定抵御常见的恶意攻击的能力。

最后我们在分析PoW的基础上，抽象出区块链共识机制的八个关键要素，它们决定了共识机制的主要特征。在专题后续文章中，我们将进一步介绍主流的共识机制及其特点。

目录

1    什么是区块链：漫谈分布式系统与非中心化

1.1   记账方式与信任

1.2   分布式与非中心化的融合

2   分布式对等系统内部的通信与共识

2.1   不存在绝对可靠的分布式对等系统

2.2   “狼人杀”与拜占庭将军们

2.3   分布式系统不存在完美的确定性共识算法

2.4   CAP原理与区块链共识机制

3   PoW工作量证明——一致性与可用性的权衡

3.1   BTC实现实际应用中的一致性

3.2   密码学是PoW一致性的基础

3.3   最长链原则与“矿工”间的博弈

3.4   PoW如何防止拜占庭故障破坏共识

4   区分不同共识机制的八个关键要素

正文