区块链 = 分布式数据库？手艺解读区块链与分布式体系异同_数字货币

[2021-01-31 21:51:46] 来源：编辑：wangjia 点击量：

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导读： 简明解读以太坊二层扩容方案：Rollup、状态通道与侧链简明解读以太坊二层扩容方案：Rollup、状态通道与侧链原文标题：《区块链与分布式体系》撰文：盖盖，UBC 计算机博士在读，研讨分布式体系、

简明解读以太坊二层扩容方案：Rollup、状态通道与侧链

原文标题：《区块链与分布式体系》
撰文：盖盖，UBC 计算机博士在读，研讨分布式体系、拜占庭容错、区块链

区块链手艺的炽热推动了传统分布式手艺的进一步生长。从区块链手艺的实质来看，基础离开不开传统分布式体系跟密码学的核心手艺。那末区块链手艺真的值得去研讨吗？是区块链挑选了我们，照样我们挑选了区块链？本文从一个分布式体系研讨者的角度来明白区块链。

人们经常把区块链看成分布式数据库，或许是分布式帐本，这类说法不正确，而且具有迷惑性。区块链与我们常见到的分布式数据库比拟，我以为区分主要有两个：共鸣算法和链式构造。这两者相辅相成，配合组成了区块链的独特征。

共鸣算法

分布式数据库所采纳的共鸣算法平常都是基于 Paxos 所衍生出来的一系列算法。这些算法的平安性仰赖于中间化的假定，即一切的节点由一个可信赖的中间治理。在这个假定下，一切节点都被以为是「老实」的，也就是说，一切节点都养精蓄锐去通报音讯，而且音讯不会被改动。如果有少部分节点宕机，或许失联也不会影响协定的平安性。

但是区块链中的共鸣算法没有中间化的假定，每一个节点都可以被以为是有自力行动的，这也是区块链「去中间化」的由来。协定许可一部分节点（平常少于 1/3）是拜占庭节点，它们可以根据本身的志愿挑选顺从或许违犯协定，发送恣意音讯或许伪装宕机。拜占庭节点可以是被进击者完整掌握的节点，也可以是本身软件出现严峻 bug 的节点。这类算法被称作拜占庭容错（Byzantine fault-tolerant）算法，简称 BFT。很明显可以看出，区块链的共鸣算法的容错性要远远高于传统的分布式数据库，因而每每也更低效。

针对 BFT 共鸣算法的研讨从很早就入手下手了，个中影响力最大的就是图灵奖得主 Barbara 在 1999 OSDI 年提出的 PBFT (Practical BFT) [1]。但是由于算法的复杂性太高，很难举行大规模布置。除此以外，这类算法还请求每一个节点的身份已知，也就是说，在协定初始或许新节点加入时，都须要有准入掌握（Access Control）机制，保证节点之间可以相互考证身份。基于以上缘由，针对传统的 BFT 协定的研讨到了 2010 年也没有很大的希望。

比特币的出现打破了人们对这一范畴的认知，它使得大家都可以随意马虎加入到收集中来，不须要任何准入掌握机制。只需具有最少 51% 算力的计算机是老实的，全部收集就是平安的，而且经由过程比特币的嘉奖机制勉励介入者范例本身的行动。比特币经由过程极为简朴的设想就在某种程度上完成了「海纳百川，厚此薄彼」，不能不说是一个奇观。但是奇观的降生是要支付价值的。比特币支付的价值在我看来主要有三个：

极大的资本斲丧。介入到收集中的矿工须要支付巨大的硬件用度和电费。极低的机能。比特币的收集每秒钟也许能处置惩罚 7 个生意业务，每一个区块的均匀生成时刻是 10 分钟摆布。生意业务的不确定性。纵然一个区块在比特币收集中被确认了，由于区块链大概存在分叉 fork，这个区块依然有被重写的风险。只要守候一个区块被确认多少次（比方 6 次）以后，才使得这个区块被重写的风险降到足够低。这也进一步进步了生意业务被确认的耽误。

为了削减上述价值，有不少研讨者都做出了卓着勤奋。比方，为了进步共鸣算法的机能，来自 Cornell 大学的研讨者在 2016 年的 NDSI 提出了 Bitcoin-NG [2]。来自 MIT 和 Stanford 的研讨者在 2019 年的 CCS 提出了 Prism [3]，进一步对比特币举行扩容。另外，为了削减资本斲丧，来自 MIT 的研讨者在 2017 年 SOSP 上提出了基于 Proof-of-Stake 的 Algorand，移除了挖矿的斲丧。

链式构造

区块链带来的另一项刷新就是链式的构造。每一个区块都经由过程哈希跟前面的区块链接在一起，一向追溯到初始区块，组成一条绵亘不绝的链。这个构造带来的一个优点就是当一个节点确认一个区块的时刻，意味着同时确认了这个区块地点链上之前的一切区块。基于这类链式的构造，区块链中很轻易采纳一种「最长链」准绳宣布新的区块。比方在比特币中，由于收集问题和歹意进击的存在，一个矿工大概会看到多条链，但矿工老是倾向于在最长的一条链上挖矿。纵然挖矿挖到一半发现了一条比地点的链更长的链出现，也要切换到更长的链。「最长链」准绳并不一定黑白恪守不可，它并不会对协定平安形成严峻影响，但当一切矿工都恪守这一准绳的时刻，每一个矿工所能希冀取得的收益最大。固然，也有破例，当一个矿工占领比较多的资本的时刻（少于 50%），可以采用一种「自私挖矿」（selfish mining）[4] 的战略，违犯「最长链」准绳，钻营更高的收益。

区块链的链式构造也给研讨传统 BFT 的研讨者带来很大启示，许多为区块链量身定做的 BFT 协定入手下手出现。这个中最著名的要数 Facebook 所采纳的 LibraBFT [5] 共鸣协定。LibraBFT 基于 HotStuff [6]，由来自 VMware 的研讨者提出。HotSutff 经由过程采纳区块链的链式构造改进了传统 BFT 的机能，使得协定可以布置在具有上百个节点的收集中。下面我简朴申明一下这类链式构造的奇异的地方。

起首，我们设想用传统的 BFT 协定完成区块链。由于在传统的 BFT 协定**识是一次性（one-shot）的，我们须要对每一个区块零丁举行共鸣。比方在 PBFT 中，每一个区块链都要阅历 Propose，Prepare，Precommit，Commit 多少阶段。每一个阶段都要阅历一轮投票，好像都在做雷同的事变，存在许多音讯冗余。如下图所示（泉源 [1]）。

为了处理这一问题，HotStuff 在 PBFT 的基础上引入了链式构造。由于之前所说的链式构造的特征，一个节点对一个区块的投票实际上是对这个区块地点链上之前的一切区块的投票。因而链式 HotStuff 缩减了差别的投票阶段，只保留了一致的 Propose-Vote 的情势。如下图所示（泉源 [6]）。

HotStuff 进一步利用了链式构造的特性划定了投票划定规矩（voting rule）以及区块被确认的划定规矩（commit rule），从而保证协定的平安性。链式的构造使得 BFT 协定变得简约而幽美，可以很好地举行流程化（Pipelined）功课，进步了协定的机能，极大降低了状况空间。

除了上述的优点以外，链式的构造也给协定留足了设想空间，比方激励机制，信用治理，平正机制等，这些机制对一个多方介入的收集来讲都邑起到积极作用。

在 10 多年前，中本聪发现比特币，区块链应运而生。如今，我们对区块链的研讨逐步拨云见日，我们也运用一种客观专业的眼力去对待这项手艺。毫无疑问，区块链的降生给分布式体系的研讨带来了新的生命力。但在研讨区块链的时刻，不能粗犷的将共鸣算法和链式构造分开去研讨，由于这两者相辅相成，配合组成区块链的基础要素。

扩大浏览

[1] Practical Byzantine Fault Tolerance

[2] Bitcoin-NG: A Scalable Blockchain Protocol

[3] Prism: Deconstructing the Blockchain to Approach Physical Limits

[4] State Machine Replication in the Libra Blockchain

[5] Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable

[6] HotStuff: BFT Consensus in the Lens of Blockchain

泉源链接：zhuanlan.zhihu.com