干货| 了解区块链的基本原理第 2 节：工作量证明和权益证明

在第一节（编者注：中文翻译见文末），我们探讨了拜占庭将军问题的概​​念，如何实现拜占庭容错，以及两者与区块链的关系。

上一篇文章提到的算法其实就是一种实现拜占庭容错的方案。 但是，该方案不够有效，其变体方案有局限性简述比特币工作量证明过程，网络中的叛徒数量不能超过将军数量的1/3。

-用Lamport、Shostak和Pease提出的算法求解拜占庭问题的运行时间（n=参与者数，m=叛徒数）-

这将我们引向计算机科学中的一个经典问题：

我们能做得更好吗？

本文的主题是讨论实现拜占庭容错的替代算法。

注意：请原谅我的简化。 这些算法背后有很多复杂的研究。 我将一路提供链接简述比特币工作量证明过程，供感兴趣的读者进一步研究。

区块链使用共识算法来选择领导者来决定下一个区块是什么。

领导者还负责将块广播到网络，以便其他节点可以验证其内容的有效性。

工作量证明 (PoW)

对于比特币、以太坊等各具特色的虚拟货币，工作量证明是目前最流行的算法，适用于比特币、以太坊等各种加密货币，各版本各有差异。

在继续之前，为非技术读者做一些介绍：

哈希函数是一种可用于将任意长度的数据映射到固定长度的数据的函数。

如果哈希函数是安全的，那么它的输出值与随机数没有区别。

示例：
keccak256("hello") = 1c8aff950685c2ed4bc3174f3472287b56d9517b9c948127319a09a7a36deac8
keccak256("hello1") = 57c65f1718e8297f4048beff2419e134656b7a856872b27ad77846e395f13ffe

在工作量证明中，为了选举一个参与者成为领导者并选择下一个要添加到区块链的区块，参与者必须解决一个特定的数学问题。

这个数学问题可能是：

给定数据 X，找到一个数字 n，使得将 n 附加到 X 的结果的哈希值小于 Y。

示例——hash即一个假定的哈希函数，其输出值如下
Y = 10, X = 'test'
hash(X) = hash('test') = 0x0f = 15 > 10
hash(X+1) = hash('test1') = 0xff = 255 > 10
hash(X+2) = hash('test2') = 0x09 = 9 < 10  
问题解决

由于上述示例中使用的散列函数在密码学上是安全的 [1,2]，因此解决此问题的唯一方法是暴力破解（即尝试所有组合）。 换句话说，就概率而言，大多数时候第一个解决上述问题的参与者是计算能力最强的人。 这些参与者也被称为矿工。

散列函数的广泛成功主要归功于以下特性：

很难找到给定问题的解决方案

一旦找到问题的答案，就很容易证明它是正确的

每挖出一个新区块，矿工就会得到一些代币奖励（区块奖励、交易手续费），以激励他们继续挖矿。 在工作量证明中，其他节点通过检查区块数据的哈希值是否小于预设值来验证区块的有效性。

由于算力供给有限，矿工的作弊行为受到抑制。 攻击网络代价高昂，因为除了高昂的硬件和电力成本外，还会导致潜在挖矿利润的损失。

这张图片很好地说明了比特币等硬币如何使用工作量证明来抵御恶意攻击。

建议对有争议的情况下链条分裂（即分叉或链条重组）如何发生感兴趣的读者阅读本文。

工作证明提供了所需的安全性，并且到目前为止已被证明是有效的。 但这非常耗电：

几乎所有非洲国家（分别）消耗的电力都少于比特币开采。

股权证明（PoS）

在进一步讨论之前，让我将领导者选举（即谁选择下一个区块）与彩票进行比较：

就彩票而言，从概率上来说，如果鲍勃买的彩票比爱丽丝多，他中奖的概率就大。

同理：

在工作量证明方面，如果 Bob 比 Alice 拥有更多的计算能力和电力 - 从而可以计算出更多的输出值 - 他有更高的获胜概率（挖掘下一个区块）。

同理，我们可以得到：

在股权证明方面，如果 Bob 的股权比 Alice 多，则他获胜的概率更高（“挖掘”下一个区块）。

股权证明用股权取代了工作证明的电力和计算能力要求。 Stake 是指参与者在一段时间内愿意锁定的代币数量。 作为回报，他们成为下一个领导者并选择下一个区块的概率与他们投入的金额成正比。 目前有几种使用纯权益证明的硬币，例如 Nxt 和 Blackcoin 等。

股权证明的主要问题是所谓的“无风险”问题。 从本质上讲，问题在于，在分叉的情况下，利益相关者有动机在分叉形成的两条链上进行抵押，从而更有可能出现双重支出。 欲了解更多信息，请点击此处。

为了避免上述问题，混合共识算法应运而生。 例如，Decred 结合使用工作量证明和权益证明算法。 以太坊基金会正在积极研究与 Casper The Friendly Ghost 和 Casper The Friendly Finality Gadget 相关的安全分布式权益证明协议。

结语

在本文中，我们讨论了工作量证明和权益证明的概念。 目前，它们是实现拜占庭容错的共识算法，实际应用在今天的区块链系统中。

其他共识算法包括实用拜占庭容错（PBFT，Practical Byzantine Fault Tolerance，用于Tendermint）和分布式拜占庭容错（Distributed Byzantine Fault Tolerance，用于NEO）。 可以在此处找到 PBFT 和 Casper 之间的比较。

谢谢詹姆斯·马丁·达菲。

原文链接：

作者：乔治斯·康斯坦托普洛斯

翻译和校对：Min Min & Elisa

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