雙花問(wèn)題
如果Alice錢(qián)包里面有10美元，她可以去購(gòu)買(mǎi)等值的物品。如果Alice去商店后，發(fā)現(xiàn)臺(tái)燈和桌子都是10美元，那么她只能買(mǎi)其中一樣?xùn)|西。
而我們所說(shuō)的雙花問(wèn)題，正好與之相反，同樣的10美元，你可以購(gòu)買(mǎi)兩樣?xùn)|西。
不過(guò)，雙花問(wèn)題在我們生活中其實(shí)不會(huì)發(fā)生，因?yàn)槟阍谫?gòu)買(mǎi)東西的同時(shí)，也同時(shí)進(jìn)行了支付(也就是說(shuō)，這是個(gè)中心化系統(tǒng))。換句話(huà)說(shuō)，如果Alice花費(fèi)10美元購(gòu)買(mǎi)臺(tái)燈，那么這10美元就不屬于她了。
但是在分布式系統(tǒng)中，問(wèn)題會(huì)有些不同。
對(duì)于分布式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，交易記錄會(huì)廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)(也就是說(shuō)，Alice會(huì)在網(wǎng)絡(luò)廣播交易信息，從而網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)知道“Alice已經(jīng)花費(fèi)10美元來(lái)購(gòu)買(mǎi)臺(tái)燈”)。
每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)記錄這個(gè)交易信息，然后將信息傳輸給網(wǎng)絡(luò)中的下個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且這個(gè)過(guò)程會(huì)持續(xù)直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)已經(jīng)記錄了這條信息“Alice已經(jīng)使用了10美元來(lái)購(gòu)買(mǎi)臺(tái)燈”。
但是，在信息通過(guò)龐大網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)候，以下問(wèn)題也會(huì)出現(xiàn)：
• 當(dāng)信息在網(wǎng)絡(luò)中傳播的時(shí)候，路徑不同，并且在不同時(shí)間到達(dá)不同節(jié)點(diǎn)。
• 由于節(jié)點(diǎn)會(huì)失效，有些節(jié)點(diǎn)也許不能將信息傳遞給下個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后這個(gè)消息就會(huì)丟失。
因此，在某個(gè)時(shí)間會(huì)發(fā)生這種情況，某些節(jié)點(diǎn)知道Alice已經(jīng)花費(fèi)了10美元購(gòu)買(mǎi)臺(tái)燈，但是某些節(jié)點(diǎn)卻不知道這一消息。
對(duì)于那些不知道Alice花費(fèi)10美元購(gòu)買(mǎi)臺(tái)燈的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這條信息還沒(méi)有傳達(dá)給他們;他們?nèi)匀粫?huì)認(rèn)為，Alice還有閑置的10美元可以購(gòu)買(mǎi)任何其他東西。
因此，對(duì)于Alice來(lái)說(shuō)，很可能她會(huì)向網(wǎng)絡(luò)中傳播另一個(gè)消息“Alice已經(jīng)花費(fèi)了10美元來(lái)購(gòu)買(mǎi)桌子”，并且如果這個(gè)信息在“Alice花費(fèi)了10美元來(lái)購(gòu)買(mǎi)臺(tái)燈”這個(gè)消息之前達(dá)到節(jié)點(diǎn)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)認(rèn)為Alice已經(jīng)花了10美元來(lái)買(mǎi)桌子。
這就有可能造成這種情況，Alice能夠花費(fèi)10美元買(mǎi)桌子，并且花費(fèi)同樣的10美元來(lái)買(mǎi)臺(tái)燈;這是違背常理的，因?yàn)锳lice只有10美元，并不是20美元。
這就是雙花問(wèn)題。
雙花問(wèn)題會(huì)在分布式系統(tǒng)中出現(xiàn)，是因?yàn)榻灰仔畔⒃邶嫶蟮木W(wǎng)絡(luò)中傳輸需要花費(fèi)時(shí)間。
由于網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸?shù)臅r(shí)間差，無(wú)法保證信息達(dá)到節(jié)點(diǎn)的順序和信息創(chuàng)建的順序是相同的。
注意：有人會(huì)說(shuō)，轉(zhuǎn)賬信息中會(huì)包含通用的時(shí)間戳，同時(shí)還有哈希值來(lái)保證數(shù)據(jù)的完整性，這就很容易解決轉(zhuǎn)賬信息會(huì)按照不同時(shí)間達(dá)到某個(gè)節(jié)點(diǎn)。
但是，Alice可以在簽署信息之前造假時(shí)間戳，同時(shí)把第二條信息放入更早的時(shí)間戳，給網(wǎng)絡(luò)造成疑惑。
從更深層次來(lái)看，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)處于不一致的狀態(tài)，其中有些節(jié)點(diǎn)已經(jīng)驗(yàn)證“Alice花了10美元買(mǎi)燈”，其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證了“Alice花了10美元買(mǎi)桌子”。
為了解決網(wǎng)絡(luò)中狀態(tài)的不統(tǒng)一性(很少節(jié)點(diǎn)會(huì)驗(yàn)證某個(gè)交易，并且其他節(jié)點(diǎn)已經(jīng)驗(yàn)證一個(gè)相反的交易)，我們需要某個(gè)共識(shí)機(jī)制，確保交易的順序，從而將網(wǎng)絡(luò)帶回統(tǒng)一的狀態(tài)。
分布式賬本技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)的共識(shí)機(jī)制
“真理不是事情的真相或者原因。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是每個(gè)人都同意這個(gè)事情。”
― Gregory Maguire, 壞女巫:新綠野仙蹤
這種共識(shí)的形成有兩種方法。
基于投票的共識(shí)(需要信任的聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)或者私有分布式網(wǎng)絡(luò)，例如，超級(jí)賬本)：網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是互相認(rèn)識(shí)的，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)行投票，從而對(duì)交易進(jìn)行驗(yàn)證。最后，通過(guò)多數(shù)人投票選舉和擔(dān)保政策(例如，實(shí)用性拜占庭容錯(cuò)算法)來(lái)實(shí)現(xiàn)交易，而且擔(dān)保政策可以使得只要全網(wǎng)2/3節(jié)點(diǎn)通過(guò)的前提下，就可以讓交易有效。
基于抽獎(jiǎng)或者競(jìng)爭(zhēng)的共識(shí)(公鏈或者無(wú)需信任節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，比如以太坊)：網(wǎng)絡(luò)中基于工作量證明或者權(quán)益證明選出的成員，可以決定交易是否有效，并且這個(gè)決定需要被全網(wǎng)都認(rèn)可。無(wú)論誰(shuí)贏得了這個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)，全網(wǎng)都會(huì)同意由獲勝節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證的轉(zhuǎn)賬是有效的。
這種通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)選出的下個(gè)節(jié)點(diǎn)的方式，通常是通過(guò)解決加密數(shù)學(xué)難題來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如工作量證明，或者是根據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)投資的貢獻(xiàn)，來(lái)得到更高的獲勝概率，例如權(quán)益證明。
共識(shí)機(jī)制(不論是投票還是抽獎(jiǎng))，都是讓網(wǎng)絡(luò)決定哪個(gè)交易是有效的。網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)然后再去驗(yàn)證這個(gè)交易，這些只會(huì)通過(guò)有效交易的共識(shí)來(lái)進(jìn)行處理。
有意思地是，有效交易可能并不是正確的交易。在我們的例子中，如果群體共識(shí)投票“Alice花費(fèi)10美元買(mǎi)了桌子”作為有效交易，那么正確的交易“Alice花費(fèi)10美元買(mǎi)燈”就會(huì)被網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)認(rèn)為無(wú)效。
其實(shí)，共識(shí)算法的目標(biāo)并不是確定兩個(gè)交易之間，哪個(gè)是正確的。共識(shí)算法是為了防止分布式網(wǎng)絡(luò)中的雙花問(wèn)題(也就是說(shuō)，在我們的例子中，通過(guò)共識(shí)機(jī)制，我們可以確保Alice可以消費(fèi)10美元，并且只消費(fèi)了一次);而且保證全網(wǎng)只會(huì)同意某個(gè)交易信息，并且任何不同的交易信息都會(huì)被網(wǎng)絡(luò)認(rèn)為是無(wú)效的。
在“無(wú)需信任的網(wǎng)絡(luò)”構(gòu)建“信任”
Bodhi：“你不信任我嗎?”
Johnny Utah：“你需要去獲得信任。”
— 驚爆點(diǎn)(1991)
通過(guò)工作量證明算法，獲勝者可以通過(guò)解決數(shù)學(xué)難題，從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)脫穎而出，而且獲勝者可以去決定網(wǎng)絡(luò)中哪些交易是有效的，并成為區(qū)塊鏈中下個(gè)區(qū)塊的一部分。
但是問(wèn)題來(lái)了，為什么我們需要節(jié)點(diǎn)互相競(jìng)爭(zhēng)來(lái)解決復(fù)雜的加密數(shù)學(xué)難題，再選出獲勝者? 也就是說(shuō)，為什么我們需要復(fù)雜的工作量證明?任何節(jié)點(diǎn)可以被隨機(jī)選擇并稱(chēng)為下個(gè)獲勝者嗎(隨機(jī)選擇)?同時(shí)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)還要被選舉出來(lái)，并對(duì)有效的交易做出決定。
答案如下。
如果彩票獲獎(jiǎng)?wù)卟⒉皇峭ㄟ^(guò)計(jì)算量選拔出來(lái)并且添加區(qū)塊(或者有些代幣是需要算力，例如權(quán)益證明)，那么對(duì)于任何節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)就會(huì)很容易將下個(gè)區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈上。
這意味著很多人都可以添加他們認(rèn)為的區(qū)塊到區(qū)塊鏈上，并且擁有最強(qiáng)算力的人能夠擴(kuò)大區(qū)塊鏈，并且獲得最長(zhǎng)的鏈。
中本聰對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解決方案“在無(wú)需信任的網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建信任”，也是為了確保對(duì)于任何人或者團(tuán)體(只要團(tuán)體算力小于50%)都無(wú)法通過(guò)算力來(lái)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，也就是控制區(qū)塊鏈上區(qū)塊的創(chuàng)建，同時(shí)維持區(qū)塊鏈上最長(zhǎng)的鏈。
因此，基本原理是，如果想在區(qū)塊鏈中添加區(qū)塊，需要通過(guò)難度很高的計(jì)算，并且引進(jìn)某種機(jī)制來(lái)完成。這些機(jī)制中，最常見(jiàn)的，就是工作量證明算法。
但是，其實(shí)也有消逝時(shí)間證明(PoET)機(jī)制，這種算法需要在區(qū)塊鏈上加入下個(gè)區(qū)塊之前，“等待”一段時(shí)間，從而再次人為地將添加區(qū)塊的計(jì)算難度變得很困難。
對(duì)于權(quán)益證明算法，代幣的抵押機(jī)制可以選出創(chuàng)建區(qū)塊的下個(gè)人，這也讓任何個(gè)人都很難去持有足夠的代幣，來(lái)控制整體網(wǎng)絡(luò)。
