区块链--Bitcoin共识机制

目录

• 中心化和去中心化
  • 比特币共识机制
  • 拜占庭将军共识机制
  • 比特币成功解决了拜占庭问题

中心化和去中心化

• 中心化模式：

  • 优点：效率高
  • 缺点：中间层次太多（组织层次连接）

• 去中心化模式：

  • 缺点：效率低
  • 优点：没有中间层次（各个个体之间网状连接）

• Q1: 如何设置一个规则让大规模无序的对象可以有序的完成意见事情，并且保证公正，公平？ 这个就是需要制定一个共识机制。

中国古老的区块链项目（打麻将）
请四位美女定时周期性的单独为游客表演节目！

-Q1 决定谁为游客表演节目？
-Q2 为什么要给游客表演节目？（有什么好处）

• 制定游戏规则（共识机制）：四个美女通过打麻将的方式来决定谁来位游客表演节目--谁先胡牌谁为游客表演节目（所有人都承认的胡牌方式）；表演节目后，能获得一定的奖励；

共识特点：
1. 四个人一组，谁先通过游戏规则（麻将的胡牌方式），谁就拥有记账权--表演节目。
2. 不可篡改--如果某人没有胡牌却想要说服其他三人承认自己胡牌，这种作弊的方式获取的代价太大；
3. 工作量证明。 大家都要花费时间大牌，都有可能胡牌，从而得到表演的机会，获得奖励；
4. 去中心化。 每个人都可以是庄，完全是点对点。
5. 每一轮只有一个庄家胡牌，下一轮就会有新的竞争，成为新的庄家；
6. 每一次胡牌为游客表演节目，就是产生一个区块的过程。

• 共识就是所有人遵守一个规则。

比特币共识机制

• 不断有转账交易发送到比特币网络中
• 每个矿池都会收集所有交易记录，然后在头上加上一个正确的nonce(这个数据就叫一个区块Block),计算整个区块数据的hash,要满足一个规则（pow）
• 如果正确计算出来了，就通知其他矿池确认，其他矿池确认无误后加入自己的区块列表中（区块链）

拜占庭将军共识机制

原型： 在中世纪，拜占庭帝国拥有巨大的财富，周围零帮垂涎已久。但拜占庭城池坚固，固若金汤，没有一个单独的邻邦能够成功乳清，任何单个的邻邦入侵都会失败，同时也有可能被其他邻邦乘机入侵。 所以要想入侵拜占庭帝国，至少需要一半以上邻国同时进攻才有可能成功！
然而， 如果其中的一个或几个邻邦本身答应好一起进攻，但实际过程出现背叛，那么入侵者可能都会被歼灭，于是每一个邻国都很小心，不敢轻易相信邻国！

拜占庭问题：

• 假如拜占庭周围有6个邻国，编号0到6

• 任何单独一个邻国都没法消灭拜占庭帝国

• 只有大于等于4个领过一起才可以消灭拜占庭帝国（51%以上）

• 6 个城邦大王不能坐在一起开会讨论

• 6个邻国的势力相当

• 6个邻国之间只能通过信使来进行通讯

• 6个邻国都想打败拜占庭帝国瓜分财富

• 6个邻国都想利益最大化

  

  ​

问题

• 设计一个规则让6个邻国都相互信任，形成一个可信的通信方式
• 如果攻破，财富如何分配

思考？

• 对于拜占庭问题来说，假如邻国总数（节点总数）为N,叛变的邻国数（不可信节点|出错节点）为F,则当M>=3F+1,问题才解决（才能攻破拜占庭帝国）， 如F=1,M=4 . 如何算出来的

  ## 实例
  - 设置：进攻命令为1， 按兵不动为0
  - 假设有四个将军： A,B,C,D
  	- 其中有叛将和忠将
  	- 4个将军相互发送消息给对方，最终来判断是否进攻
  

  • 假如A,C,D是忠将,B是叛将。 如下图相互通信过程

    

    • 最终A,C,D进攻

  • 假如叛将是A,忠将是BCD, 如下图

    

    • 最终BCD也会共识，是否是进攻

战国七雄问题（比特币）

• - 故事描述： 秦国有祖传的2100万BTC
  - 周边的6个国家都想去抢比特币，一次能抢50BTC,于是故事就来了
  

• 故事描述： 秦国有祖传的2100万BTC

• 周边的6个国家都想去抢比特币，一次能抢50BTC,于是故事就来了

• 任何单独一个国家都没法消灭拜占庭帝国

• 只有大于等于4个领过一起才可以消灭拜占庭帝国（51%以上）

• 6 个国家大王不能坐在一起开会讨论

• 6个国家只能通过信使来进行通讯

• 6个国家都想抢BTC,并且越多越好

  

-- 设计一套规则让0-6个大家都相互相信，形成一个可信的网络

-- 如果抢到BTC如何分配

故事是这样的开始的
因为是无需的：所以任何国王都可以发布消息告诉别国什么时间去抢币，这样的结果就是，会乱成一锅粥，最后商量到一个方案

• 工作量证明（提高提按成本）
  1. 6个国家都派出一个选手约定一个地方来进行校场比武（工作量证明过程）
  2. 谁比武胜出了，就谁发出指令什么时候去抢秦国BTC
  3. 谁比武胜出了，抢的50个BTC就归哪一个国家所有

然后循环下一次比武

• 比武的目的是为了本次抢50BTC临时公平选出中心
• 比武只是方式（工作量证明方式），目的是为了选择一个中心（领导）
• 比武的过程争夺领导权（BTC记账权）和BTC奖励
• 去中心化不是去掉中心，而是人人都有可能成为中心（工作量证明）

比特币成功解决了拜占庭问题

• 拜占庭问题之所以难解： 任何时候系统中都有可能存在多个提案（因为提问成本很低），并且要完成最终的一致性确认过程十分困难，容易受到干扰。但是一旦确认，即为最终确认

• 设置工作量证明（proof of work）机制，让所有参与的节点都可以公平公正的在某个时间段成为中心，有领导权/记账权，限制了一段时间的提问个数（增加了提问成本，需要通过比武）

• 全网胜出的节点可以记账同时获得奖励，需要其它节点确认，保证了一致性

• 造假成本提高（比如麻将的造假，这样会浪费自己的宝贵赢钱机会）

• 设置了工作量证明，让系统慢下来，反而有助于让分布式去中心化的系统一致性协调，从而解决达到共识机制

• 工作量证明，比特币以Hash碰撞挖矿，麻将是以浪费时间，校场比武以输赢看似无用的东西来决出一段时间的中心，是去中心化协调必须的一种方式

• 其他的工作量证明方式，Pow, Pos, DPos等，目的都是为了增加提按成本