区块链通识——共识层

一丶概述及拜占庭将军问题

（一）共识机制是区块链技术的基础和核心
（二）共识机制决定参与节点以何种方式对某些特定的数据达成一致，共识机制可以分为经典分布式共识机制和区块链共识机制
（三）经典共识是确定性共识，即网络中的节点要么达成共识，要么不达成共识，如如经典的拜占庭将军问题
（四）信任解决问题：1980年Lamport提出，解决网络中存在拜占庭节点（恶意或故障节点）

• 拜占庭帝国想要进攻一个强大的敌人，为此配出了10支军队去包围这个敌人，这个敌人虽不比拜占庭帝国，但也足以抵御5支常规拜占庭军队的同时袭击
• 基于一些原因，这10支军队不能集合在一起单点突破，必须在分开的包围状态下同时攻击
• 他们任一支军队单独进攻都毫无胜算，除非有至少6支军队同时袭击才能攻下敌国
• 他们分散在敌国的四周，依靠通信兵相互通信来协商进攻意向以及进攻时间
• 困扰这些将军的问题是，他们不确定他们中是否有叛徒，叛徒可能擅自变更进攻意向或者进攻时间
• 在这种状态下，拜占庭将军们能否找到一种分布式的协议来让他们能够远程协商，从而赢取战斗？
• 这就是著名的拜占庭将军问题
  

二丶区块链共识

（一）2008年，Nakamoto提出比特币POW共识机制，使用工作量证明的方法解决拜占庭问题，保证有很大的概率共识不会被篡改，首次实现，验证了一类大规模可使用的拜占庭容错算法，共识机制进入区块链共识时代
（二）目前区块链共识根据准入机制可分为两大类

• 一类是授权共识（primissioned consensus）机制，授权网络中节点一般通过公钥基础设施（public keyinfrastructure,PKI）完成身份认证后，才能参与后续共识机制
• 另一类是以比特币为代表的非授权共识（peimissionless consensus）机制，非授权网络中，节点随时加入和退出，节点数量动态变化且不可预知，非授权共识通过特定算法完成出块者（block proposer）选举，区块生成和节点验证更新区块链等过程
• 前者构成的链被称为联盟链，后者构成的链被称为公链

三丶基本流程

（一）选主：选取出块节点，==“出块者”==是指区块链中负责产生区块的节点，又被称为记账者

• 单节点
• 委员会（考虑女巫 攻击）

（二）造块：将一段时间内网络中产生的交易数据打包放到当前区块中

• 区块头
• 区块体
• 交易或者数据通常根据区块容量，交易费用，交易等待时间等多种因素综合排序

（三）验证：广播并验证区块
（四）上链：记账节点将新区块添加到主链，更新本地链

四丶PoW共识

（一）搜索当前时间段的全网未确认交易，并增加一个用于发行新比特币奖励的Coinbase交易形成当前区块体的交易集合
（二）计算区块体交易集合的Merkle根记入区块头，并填写区块头的其他元数据，其中随机数Nonce置零
（三）随机数Nonce加1；计算当前区块头的双SHA256哈希值，如果小于或等于目标哈希值，则成功搜索到合适的随机数并获得该区块的记账权；否则继续步骤3直到任一节点搜索到合适的随机数为止
（四）如果一定时间内未成功，则更新时间戳和确认交易集合，重新计算Merkle根后继续搜索