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区块链搭便车指南:第三期

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区块链中的不变性

我们尝试伪造并光荣地失败的章节。

找到匹配的替换块是“不可能的”

支持区块链的重要论据之一是它的不变性。因此,如果不费力地调整每个后续块(记住活页类比),就不可能在以后用另一个块替换区块链中现有的、已建立的块。也就是说,我们不能简单地将其中一个蓝紫色块(例如,在右侧图像中标记为“OK”的那个)并用青色块(“BAD”)替换它“就像那样”,这这就是为什么它也被红色划掉的原因。这是由于所使用的加密散列函数的安全性。

要“像那样”替换块会发生什么?

比特币网络为其工作量证明结合了巨大的计算能力,消耗的电力是世界上最强大的超级计算机的 500 倍。尽管有这种惊人的计算能力,但整个比特币网络必须计算 20 万亿年才能将一个区块替换为另一个区块,以使其校验和(哈希)与原始区块的校验和(哈希)相同,即它可以被接受为链的有效成员。(它是否真的被接受是另一回事)。

20 quindecillion 年写成 2,有 49 个零。谁更喜欢与宇宙的年龄进行比较:所有这些计算机自 130 亿多年前的大爆炸以来都必须不断计算,而且仍然只能完成很小的分数(十亿分之一;十二亿是 1 后面跟着 39 个零) !)他们的西西弗斯作品。(即使是Deep Thought也可能比替换积木更快地找到“关于生命、宇宙和其他所有问题的所有问题”的答案)。

来自 IT 安全环境的人们谨慎地称之为“不切实际”;然而,普通凡人更喜欢“不可能”。

替代规则

公证人寻找重复性较低、更容易的工作的子章节。

区块链搭便车指南:第三期

工作量证明规则不可避免地导致能源浪费,这通常只会随着时间或受欢迎程度而增加。这对环保主义者和采矿计算机(“钻机”)的运营商本身都不满意:他们宁愿自己赚更多的钱,也不愿把钱花在电力和硬件上。因此,已经并且正在考虑替代系统,特别是权益证明(PoS) 和历史证明( PoH )。

所有这些规则的目标是同时实现安全、速度和去中心化。不幸的是,还没有人能够在一个开放的区块链中同时实现这三个目标。尽管进行了密集的尝试,但迄今为止一直需要权衡取舍,这种实现被称为“区块链三难困境”。

权益证明

到目前为止,没有一个著名的区块链有效地使用权益证明。以太坊是仅次于比特币的第二大公司,总部位于楚格,目前仍在工作量证明的基础上工作,目前使用了比特币一半以上的电力消耗。多年来,以太坊一直想有效地引入 PoS。经过多次推迟,目前定于 2022 年第二季度引入,与仍在运行的 PoW 并行。

什么是权益证明?基本假设是,你拥有的加密货币份额越多,你就越有可能关心加密货币本身的福利,因此不会损害加密货币的利益。(由于这将假定一个极其同质的人类,因此这种说法当然不能涵盖所有人。)

让我们从一个类比开始,一个自组织的村庄。工作证明公证员的忙碌奔波,让村民们日日夜夜的工作和休闲感到不安。由于睡眠不足,公证员也变得非常反社会;没有人愿意再与他们有任何关系。因此,长老会决定切换到权益证明,从而从(工作量证明)矿工切换到(权益证明)验证者。

下面是 PoS 流程,以负责 March 的验证者委员会为例:

区块链搭便车指南:第三期

权益证明 (PoS) 委员会活动时间表

  • 每公顷土地所有权,其所有者可以要求在新的 PoS 村议会中拥有发言权。拥有较少的人必须加入其他人,并且有人代表这个池子;池中的内部组织与其他居民无关。
  • 1 月之前:任何想要申请发言权的人都必须为此投入财产,即所谓的“赌注”(因此也将你的土地置于赌注中)。该申请(以及随附的财产质押)被输入区块链并经过公证(稍后我们将看到如何)。
  • 1 月:每个月从活跃股份的公顷中选出 128 公顷作为下个月(此处为 3 月)。他们的代表将被聘为 3 月份的“验证人”(或确认人)。
  • 这种 PoS 参与取代了 PoW 挖矿。它也带有胡萝卜和大棒:在他们的服务月份(并且只有那时),验证者的工作类似于 PoW 公证人。如上所示,他们不是通过愿意做无用的工作(无休止的掷骰子或盖章)来验证他们的诚实,而是通过提供一部分不动产作为他们诚实的保证来做到这一点。
  • 2月:委员会为他们的使命做好心理准备(以确保每个人在三月初都在同一条船上)。
  • 3 月:每天,一名当值验证人也被选为“提议者”。此人维护当天的活页清单。在一天结束时,他们在名单上盖章,再次用前一天的小副本进行链接。
  • 4 月:所有验证者都会审查其服务月份的活页集。
  • 5 月:我们的(3 月)验证者前往负责当月的(5 月)验证者。在那里,他们通过签署当前(5 月)的活页本来宣布他们对各自每日提案人提交的工作的支持。这个过程被称为“认证”。一旦所有 3月验证者中的 ⅔ 证明了这一点,3 月就被认为是“合理的”(或者更简单地说,已确认),并且 3月 验证者将获得他们的成功奖励:额外的新地块份额(胡萝卜,“挖矿奖励”的替代品) “的 PoW)。

PoW 的愚蠢、重复性工作已经以更复杂的协调为代价而被放弃。在上面显示的抽象级别上,它可能听起来非常简单和令人信服。然而,与PoS在以太坊上的实际功能相比,上述描述被大大简化了。

上面未涵盖的额外复杂性来自以太坊将这项工作拆分到 65 个区块链(一个主链或协调链,“信标链”;和 64 个交易链,“分片链”)这一事实

然而,任何分布式系统中最大的复杂性总是来自错误的检测和特殊情况的处理。必须明智地处理无数罕见的极端情况,并且必须确保一切继续运行,即使出现问题:无论是提议者或其他验证者请病假、超载或其他原因不可用;当提议者和其他验证者之间存在分歧时;当有人在选举期间睡着了;还有很多。在以太坊的情况下,所有这些都是以自动化的方式实施的,对不法行为者进行适当的惩罚,对其他人给予奖励。即使在最不幸的错误组合下,系统也必须始终能够以有意义的方式继续运行。

随机数是这个游戏的一个特殊弱点。它们是必需的,例如随机、公平地选择委员会成员或在成员之间分配提议者活动。然而,在区块链环境中,随机性绝非易事,看似微不足道的任务是在 Ethereum-PoS 中通过精心设计的“智能合约”实现的,与 (1) 他们自己的利益相关者,(2) 甚至更多的加密货币处于危险之中, (3) 再次胡萝卜加大棒,分配和收集积分。这个被称为“ RANDAO ”的随机数智能合约是整个过程中的众多小齿轮之一。(未来的另一篇文章专门讨论智能合约的工作原理。)

正如我们所见,区块链本身只有在无数智能合约不断紧密正确交互的情况下才能发挥作用,就像一个经过微调的发条一样。然而,反过来,区块链的正常运行也取决于这些智能合约。计算机科学家试图不惜一切代价避免分布式系统中的这种循环依赖,因为它们会导致更多的复杂性和额外的单点故障。

Ethereum-PoS VIP 休息室的正式会员资格起价为32 Ether,目前大约 80,000 法郎。如果计算机在错误的时刻崩溃或其网络连接中断(例如在上面提到的“RANDAO”期间),这部分股份甚至全部可能会丢失。

股权证明与工作证明的风险

如果工作量证明机器出现故障(崩溃、电源故障、网络问题、拒绝服务攻击, …),其获利的机会可能会降低,但之前赚取的任何资本都不会受到影响。

另一方面,通过权益证明,你希望“质押”尽可能多的资产,因为利润是按质押资本的比例分配的。如果计算机在错误的时间点出现故障,你的全部质押资金就会消失。

许可的区块链

除了基于比特币模型的公共、开放(“无许可”)区块链外,所谓的私有或“许可”区块链在商业应用程序中的封闭用户群中很受欢迎:加入封闭用户群,传统的纸质和签名合同结束。然后每个成员都被允许将一个计算节点集成到这个封闭系统中。

然后,这些计算机节点确保只有在获得至少 2/3 多数批准的情况下才将新条目添加到区块链中。因此,系统不受拜占庭错误的影响,即只要少于 1/3 的节点发生故障或错误/恶意行为,系统就可以正常运行。

在这样一个受控的环境中,检测或阻止占主导地位的玩家比在任何人都可以随时加入或离开的模型中容易得多,无需提出任何问题。相比之下,许可模型也缺乏公共区块链所追求的普遍性。

此外,许可模型主要用于货币以外的应用程序,因此它通常不是自筹资金的。“矿工”不能获得系统固有的东西(例如比特币)。相反,必须有人支付系统成本(计算机、电力)。该“某人”通常是专门为运营区块链而成立的组织。但随后该计划不再是完全去中心化的:一个中央集权机构为其提供资金。

在顶部它摆动得最多

我们解决乐高塔建筑冲突并重新检查稳定性的子章节。

区块链搭便车指南:第三期

有时,有多个(同时)新块

自 2009 年以来,比特币区块链已经发展到现在超过 730,000 个“乐高积木”的高度。我们已经看到,在底部拉出一个块并更换它是“不可能的”。毕竟,它是乐高而不是积木!

但它在顶部看起来像什么?在以运气(橡皮图章或掷骰子)为特征的采矿过程中,实际上可以同时创建几个新的有效但不同的块。通知所有节点有关新块的信息通常需要几十秒,有时甚至超过一分钟。因此,大约每 11 天,就有两个潜在的最新区块同时广泛流通。但只能有一个,因为必须以某种方式保证对账户余额的共识。

因此,最上面的几个块被认为是不安全的,通常直到它们上面堆叠了大约六个块,这平均需要一个小时,但可能需要长达 6 个小时(等待时间仅取决于掷骰子的运气)。那么在某处不会突然出现一条额外的、更长的链的可能性很高。

这导致进一步的结论:

  1. 如果有多个候选块在运行,则每个参与者选择其中一个候选块作为后续块的基础,而不管所有其他参与者的决定。(通常,这是他看到的第一个有效区块)。
  2. 大多数人不“满意”的候选区块仍处于区块链的无关侧臂中,因此被忽略。
  3. “幸福”是由程序代码中的规则定义的,并且可能会随着时间而改变。
  4. 换句话说,多数人决定路线,即使有个别顽固的少数人随后乘坐他们的专列(“硬分叉”,一种独立宣言)。这种机制也被用于有针对性地歧视或排斥成员和技术。
  5. 大多数成员不会识别仅出现在这些侧臂之一中的交易。但如果交易基本上是有效的,它应该被包含在下一个常规块之一中,从而最终得到认可。

技术总结

子章节,它再次很好地梳理了所有内容。

功耗为 500 台超级计算机或工业化国家的数百万台计算机正在不断尝试解决密码难题。随着更多或更快的计算机参与其中,谜题难度增加,因此平均每 10 分钟创建一个新块。解决这个密码难题(“工作证明”)旨在确认一个人有足够的兴趣认真致力于区块链的原则,即不作弊。

但是,如果有足够多的人不同意规则(或一起作弊),这些规则就会成为事实上的标准(“代码就是法律”)。这就是实施变更或衍生或排除发生的方式。

提供这些计算资源、承担每天 20-3000 万法郎的巨大电力成本以及遵守规则的动机是基于新铸造的加密货币(目前每 10 分钟大约 25 万法郎)从一无所有和交易费用,目前每块几千法郎。反过来,正如我们稍后将看到的,人们也希望制定规则,以使加密货币的收入或价值变得尽可能高。

备择方案

我们回顾其他创作的章节。

从区块链爱好者的角度来看,在中本聪第一天将世界分为光明(区块链和比特币)和黑暗(其他一切)然后退休之前,世界是荒凉而空虚的;也许是为了津津乐道地观看他的第一个 100 万比特币的价格走势。

但是,不知疲倦地的数字考古学家发现,甚至在此之前就存在重要的方法:

史前史和早期历史

我们在比特币大爆炸之前回到过去的小章节。

区块链搭便车指南:第三期

图片来源:Alan T. Sherman、Farid Javani、Haibin Zhang 和 Enis Golaszewski:论区块链技术的起源和变化,IEEE 安全与隐私,2019 年 1 月/2 月

David Chaum是一位忙碌的密码学家,我们将在本系列中再见面几次,他已经在他 1982 年的论文“相互可疑的群体建立、维护和信任的计算机系统”中致力于类似区块链的协议。

在 1990/91年,Stuart Haber 和 W. Scott Stornetta 解决了数字过程的可追溯性问题,通过时间戳、数字签名确认数字文件在某个时间点的存在。特别是,他们研究了如何使伪造(回溯)时间戳的发行透明化并因此被识别为伪造品的问题。自 1995 年以来,他们的方法的一个变体一直作为 PGP 数字时间戳服务持续使用。

当你想要证明某个文档在某个时间点存在或显示该文档自该时间点以来没有被修改时,时间戳特别有用。应用领域多种多样,从发明专利到版权和取证使用。

1997 年,Ross Anderson 描述了Eternity Service,这是一种匿名、分散的存储介质,可以保护文档免受拒绝服务攻击。自 2000 年以来,LOCKSS(大量副本确保资料安全)系统一直以分散的方式保护数字文档免受丢失或损坏。LOCKSS 研究还促成了2003 年第一个(屡获殊荣的)工作证明系统,用于建立共识。

自2001 年以来,已经出现了用于跟踪程序源代码开发的分布式系统,其中当前状态通过引用其哈希(上面反复提到的“校验和”)来引用先前的状态,因此不可能向后替换先前的状态。源代码管理系统Git,2005年发布为Linux内核的分布式开发而编写,已成为开源项目源代码管理的主要形式,也是企业软件开发不可缺少的。因此,Git 可以说是世界上使用最广泛的区块链解决方案。与之前描述的系统相比,每个开发者都可以根据自己的意愿发展他们的私有链。通过(人)对话达成共识。多链并不是真正的问题,当建立新的共识时,以分布式方式完成的工作不会丢失。

编辑于 2022-05-23 01:13
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