一文理解区块链共识机制的终结性

链闻ChainNews 2018-09-11

理解终结性对于构建稳健的区块链平台、选择在何种平台之上开发应用程序至关重要。

撰文:Alexis Gauba,Mechanism Labs 联合创始人
编译:詹涓

今天,我刷卡买了一杯爽口的抹茶拿铁。刷完卡,店家很笃定地为我做了这杯饮料。商户确信这笔交易已经成功了,钱不会再原路返回到我的卡上,而是妥妥地进入他们的户头。换句话说,购买已经终结。不过实际上,信用卡的交易非常复杂,信用卡交易需要在 60 天时才能最终完成,小额交易商家还可以接受刷卡消费,但大额交易,更愿意接受支票或电汇。只有现金交易可即时实现「终结」。

在区块链的场景中,终结性「finality」是指一旦提交到区块链,所有格式正确的区块都不会被撤销。当用户进行交易时,他们希望一旦其交易通过,交易就不会被任意更改或回滚。因此,在设计区块链共识协议时,终结性就显得至关重要。

区块被撤销可能会带来数百万美元的损失,或者对去中心化应用程序中的基本操作造成影响。因此,理解终结性对于构建稳健的区块链平台、选择在何种平台之上开发应用程序至关重要。

在目前基于中本聪共识的系统中,51% 攻击和私下进行的采矿行为有可能允许区块被撤销,从而威胁到系统的健康。例如,如果一个恶意行动者能够积累 51% 的采矿力量,他可以进行双花攻击。有些协议提供了概率上的「终结性」,而其他协议则可以保证绝对的「终结性」。

对「终结性」进行分类

「概率上的终结性」是指,基于区块链的协议提供的终结性,比特币的中本聪共识就属于此类。在这种情况下,包含交易的区块在链中下沉越深,交易不被回滚的概率就越大。区块越深,包含该区块的分叉越可能是最长的链条。这就是为什么在比特币区块链上,我们会建议等到一个交易获得六个区块确认时再确定其真实性,也就是说,等上大约一个小时的时间再完成交易,这样就能确保交易被回滚的可能性非常低了。

「绝对终结性」是指基于实用拜占庭容错 PBFT 的协议提供的终结性,Tendermint 是其中的代表。在这种情况下,交易一旦包含在区块中并添加到区块链上,就会立即被认为已经最终完成。在这种情况下,领先者将提出一个区块,而验证委员会需要在批准这个区块方面达成多数一致。

还有一种「经济终结性」的概念,在这种概念中,一个区块的回滚成本会非常高昂。在使用削减机制 比如 Casper FFG 和 Tendermint 的权益证明 PoS 系统中,如果一个股权持有人在两个区块上双重标记,他们的整个股权都可能被削减,也要是说,他们要为损害终结性付出极其昂贵的代价。例如,如果一个网络上有 100 个股权持有人,每个人都已经投入了 100 万美元,那么现有的股份总额就是 1 亿美元。如果在同一高度提出了两个区块,比如 B 和 B ', 66% 的股权持有人投票给 B 6600 万美元,66% 的人投给 B ' 6600 万美元,那么至少 33% 的股权持有人存有恶意,而这意味着损失至少为 3300 万美元。

CAP 定理和终结性

虽然看起来绝对终结性比概率上的终结性更可取,但是在进行挑选时,仍然存在一些基本的权衡。

在考虑概率和基于拜占庭容错 BFT 的终结性之间进行权衡时,使用 Eric Brewer 的「CAP 定理」很有用。

CAP 定理指出,在分区的情况下,分布式系统只能要么保留一致性,要么保留可用性。保留一致性的系统宁可中止,也不会允许不准确的交易通过。而保留可用性的系统会允许不准确的交易通过,自身也会继续存在。偏好一致性的系统提供拜占庭容错终结性,而偏好可用性的系统提供概率上的终结性。

一文理解区块链共识机制的终结性左图:偏好一致性的系统;右图:偏好可用性的系统

在进行支付时,用户经常会选择概率上终结性的协议,这就是为什么许多基于有向无环图 DAG、支持可用性,而非一致性的协议,会把重点放在支持支付上。然而,许多区块链平台提供的不仅仅是支付功能,还包括由智能合约支持的 DApp。不同的 DApp 在最终性方面可能有不同的偏好:那些需要可用性的 DApp,如果交易在哪怕并不准确时也总是能够通过,会更偏好概率上终结性的方式;倾向于一致性的 DApp,在出现不准确的交易时整个应用程序为之中止,这也是可取的,这种应用会更偏好绝对终结性的方式。所以说,终结性从根本上影响用户体验。

PoS 共识中的终结性

以下是我们对一些主要的 PoS 平台进行的分析;

Tendermint

Tendermint 实现了绝对终结性。任何在预投票或预提交中得到 2/3 以上票数的区块都可实现即时终结。这一过程持续进行下去,直到达 1/3 或以上的验证人不再做出积极反应,在这种情况下网络会暂时中断,由此可见,Tendermint 对一致性的青睐要超过了可用性。在对 Tendermint 应用 PoS 削减规则时,该协议也实现了经济终结性。

Thunderella

Thunderella 的快速路径提供了绝对终结性。任何获得公证的最大交易序列都可以被视为经过确认的输出。如果大于 3/4 的快捷路径委员会成员诚实且在线,申请人也是诚实的,那么有效交易可即时确认。然而,快速路径确认不同于整体的终结性,它是一种理想条件下的终结性。交易一旦被记录在基础区块链上,就会完全确认,这既可以架设在链上,也可以基于 BFT 算法。Thunderella 在快速路径失败的情况下会推到基础区块链,由此可见,它优先考虑可用性。

Algorand

只要攻击者控制该协议的货币价值不足总价值的 1/3,Algorand 就可以保证分叉的概率可以忽略不计,从而允许协议以强同步方式运行,使得每个区块达成最终协议。在弱同步中,Algorand 可能会分叉,但要使用拜占庭协议 BA * 来协商选择哪个分叉。这样一来,当协议恢复到强同步时,Algorand 中的交易会最终确定。Algorand 优先考虑一致性而非可用性,在不能接受候选区块时,宁愿选择生成空区块。

Ouroboros Genesis

Genesis 可以根据其区块链的选择规则,实现概率上的终结。这个规则为对于短程 最多 k 个区块,其中 k 是安全参数,遵循最长链;对于长程 超过 k 个区块 用充分性规则 plenitude rule,意味着在当前链分叉后即时查看时间段,并选择更高密度的链。

Casper FFG

Casper FFG 旨在为基于区块链的系统提供绝对 / 经济上的终结性,在委员会按股权加权获得了 2/3 以上绝对多数,即可签署区块。Casper FFG 使用这种构建方式,即使攻击者控制了底层区块链的提案机制,出现冲突的检查点也不可能最终完成。但是,由于 FFG 提供了安全性,而提案机制提供了活跃度,因此对手可以拖延共识来阻止 Casper 最终完成未来的检查点。FFG 优先考虑一致性,因为它不允许在未获超过 2/3 的验证者同意的情况下完成检查点。FFG 还允许通过削减机制实现经济上的终结。

Casper TFG

Casper TFG 通过具有不同容错阈值的验证者,实现绝对终结。也就是说,其协议是异步安全的拜占庭容错,允许验证者具有不同的容错阈值。

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