Tại sao PoW và PoS không phải là thuật toán đồng thuận?

Tiêu đề gốc: "Hiểu cơ chế đồng thuận của blockchain trong một bài viết》

Tác giả gốc: Blue Fox Notes

Bài viết này giải thích ngắn gọn và rõ ràng về hai quy trình chính để đạt được sự đồng thuận: đề xuất khối và đạt được sự đồng thuận khối. Các đề xuất khối chủ yếu liên quan đến các cơ chế PoW và PoS, là các cơ chế bằng chứng công việc và bằng chứng cổ phần để chống lại các cuộc tấn công phù thủy và lựa chọn những người đề xuất khối đáng tin cậy một cách an toàn. Sự đồng thuận của khối liên quan đến các thuật toán đồng thuận, chủ yếu bao gồm sự đồng thuận của Nakamoto và sự đồng thuận cổ điển. Đồng thuận Nakamoto áp dụng quy tắc chuỗi dài nhất, trong khi đồng thuận cổ điển có thể đạt được quy tắc cuối cùng. Mỗi thuật toán đồng thuận đều có sự đánh đổi riêng. Bài viết này được viết bởi Julian Koh và Cheryl Sew Hoy, và được dịch bởi "Xiao L" từ cộng đồng "Blue Fox Notes".

Đồng thuận Blockchain được sử dụng rộng rãi nhất trong năm 2017 và 2018 Một trong những các trường con blockchain được thảo luận. Có thể thấy rằng nhiều công ty đang cố gắng xây dựng nền tảng hợp đồng thông minh mới từ đầu và cạnh tranh với Ethereum, và một trong những điểm khác biệt hoặc đổi mới nằm ở thuật toán đồng thuận của blockchain. Cố gắng hiểu các thuật toán này và có thể so sánh chúng một cách phản biện là công việc toàn thời gian đối với nhiều nhà đầu tư tiền điện tử và chắc chắn rằng việc thành thạo chúng không hề đơn giản.

Để khám phá những " Nhiều mọi người đã nghiên cứu rất nhiều về bí ẩn của "thuật toán đồng thuận". Tuy nhiên, chúng quá kỹ thuật đối với người bình thường. Các khái niệm như đồng bộ hóa, bằng chứng về sự an toàn/sự sống và những kết quả không thể xảy ra giúp mọi người hiểu được tình huống. Tuy nhiên, theo tôi, sự hiểu biết đầy đủ không đặc biệt quan trọng đối với hầu hết mọi người.

Trọng tâm của bài viết này nằm trên các khối Thuật toán đồng thuận của chuỗi, không đề cập đến trường hệ thống phân tán lớn hơn và siêu phức tạp. Để đơn giản và dễ hiểu, một số khái niệm kỹ thuật sẽ bị lược bỏ.

Cuối phần này bài viết, bạn nên hiểu sự khác biệt giữa PoW và PoS, biết BFT nghĩa là gì và quan trọng nhất là biết sự đánh đổi là gì khi xem xét nên xây dựng ứng dụng của bạn trên blockchain nào.

Là gì đoàn kết? Tại sao nó lại quan trọng?

Đơn giản Nói một cách đơn giản, blockchain là một cơ sở dữ liệu công cộng trong đó người dùng đồng ý về điều gì là đúng. Bitcoin là cơ sở dữ liệu công cộng ghi lại tất cả các giao dịch, duy trì tính toàn vẹn của hệ thống tiền tệ. Có hai vấn đề chính cần hiểu:

1. Thỏa thuận những gì?

2. Cách tiếp cận đoàn kết ?

Chúng tôi cần ai đó cầu hôn Sau đó để người khác lựa chọn cho đến khi đạt được sự đồng thuận nào đó. Trong trường hợp của blockchain, chúng ta cần ai đó đề xuất một khối và sau đó các nút còn lại cần chấp nhận khối đó.

Một ví dụ đơn giản là theo sau ：

4 người bạn thử sắp xếp thời gian để cùng nhau làm mọi việc

4 người cố gắng sắp xếp thời gian chung để làm mọi việc. Mỗi người cho biết thời gian có sẵn của họ (ô trống). Như bạn có thể thấy, có hai khoảng thời gian thường có sẵn là 2 giờ chiều và 6 giờ chiều. Làm thế nào để họ đạt được sự đồng thuận? Trước khi đề xuất thời gian sẵn có, họ thống nhất một quy tắc cụ thể: Mỗi người phải chọn thời điểm sớm nhất mà hai bên có thể. Theo quy định này, điều đó có nghĩa là họ sẽ gặp nhau lúc 2 giờ chiều thay vì 6 giờ chiều. Từ đó, họ đã đạt được sự đồng thuận.

Theo khuôn khổ này, chúng tôi mở rộng sự tương tự của nó với Bitcoin Blockchain:

Mọi người Thỏa thuận gì vậy?

Mọi người chặn dữ liệu Tiếp cận một đoàn kết. Các khối chứa các giao dịch Bitcoin hợp lệ. Trong Bitcoin, bất kỳ ai cũng có thể đề xuất một khối miễn là họ là người đầu tiên giải được câu đố tính toán (PoW).

Mọi người đạt được sự đồng thuận như thế nào ?

Mọi người đồng ý chấp nhận Khối dài nhất trên chuỗi. Ví dụ: nếu chiều cao của chuỗi A là 100 và chiều cao của chuỗi B là 200, nếu bạn nhận được khối 101 trên chuỗi A và khối 201 trên chuỗi B thì bạn phải chấp nhận khối 201. Ai đó thêm một khối vào chuỗi ngắn hơn, có thể vì họ không biết về chuỗi dài hơn, nhưng "quy tắc chuỗi dài nhất" đảm bảo rằng một khi khối được truyền bá khắp mạng, mọi người đều đồng ý về cùng một điều.

Khung này hỗ trợ tất cả sự đồng thuận thuật toán. Các thuật toán khác nhau có thể sử dụng các phương pháp khác nhau để đề xuất các khối và chúng cũng có thể sử dụng các phương pháp khác nhau để đạt được sự đồng thuận về các khối.

Khối đề xuất

Khi xem xét một đề xuất khối, câu hỏi lớn nhất là ai sẽ đề xuất nó chặn. Nếu ai đó có thể đề xuất một khối vào bất kỳ lúc nào thì sẽ khó đạt được sự đồng thuận vì điều đó sẽ giống như việc mọi người luôn nói chuyện với nhau. Người đại diện phải được lựa chọn sao cho những người còn lại có thể nhìn thấy từng đề xuất một.

Cách ngây thơ nhất là Hãy để giao thức chọn ngẫu nhiên một người để đề xuất các khối mới. Tuy nhiên, trên Internet, một người có thể giả vờ là một trăm người bằng cách chạy hàng trăm phiên bản của cùng một chương trình. Vì vậy, chúng ta cần tạo ra một số dạng khan hiếm để chống lại các cuộc tấn công âm thầm. (Lưu ý của Blue Fox: Tấn công Sybil chủ yếu đề cập đến một phương thức tấn công trong đó một số lượng nhỏ nút trong mạng kiểm soát nhiều danh tính sai và sử dụng những danh tính này để kiểm soát một số lượng lớn các nút bình thường trong mạng.).

Vì vậy, trò chơi này phải Nó có thể chống lại các cuộc tấn công của một hacker thao túng nhiều người. Đây chính xác là những gì PoW và PoS mang lại cho bạn: một cách khiến máy tính phải tuân theo những hạn chế về tài nguyên nhất định. (Blue Fox Lưu ý: Nói cách khác, bằng cách đặt các ngưỡng, chẳng hạn như đầu tư sức mạnh tính toán của PoW và đầu tư mã thông báo của PoS, vấn đề ai đủ điều kiện đề xuất khối và nhận phần thưởng sẽ được giải quyết theo cách cạnh tranh.)

PoW như sau: để có được Để có quyền đề xuất một khối, bạn phải là người đầu tiên hoàn thành nhiệm vụ tính toán chuyên sâu. Mô phỏng nhiệm vụ tung đồng xu trên máy tính ảo cho đến khi nó chạm mặt đồng xu ảo 100 lần liên tiếp. Việc này đòi hỏi nhiều tính toán và không ai có thể giả vờ là một trăm người vì nó bị giới hạn bởi khả năng tính toán của họ.

Tuy nhiên, bằng cách sử dụng cái này Với cơ chế “chống tấn công Sibyl” này, người ta đã thành lập các trang trại khai thác bao gồm hàng nghìn máy tính để giành chiến thắng trong cuộc cạnh tranh về sức mạnh tính toán và giành quyền đề xuất khối. Các trang trại máy chủ này tiêu thụ lượng điện rất lớn nên chúng tập trung ở các quốc gia hoặc khu vực có nguồn điện rẻ nhất.

Chà, khi hầu hết các công cụ khai thác Bitcoin đều được đặt tại Trung Quốc, thì đây là điều gì phân cấp có nghĩa là gì? Sự tập trung về mặt địa lý này đặt ra mối đe dọa thực sự đối với tuổi thọ của hệ thống vì các công ty khai thác này có thể dễ dàng được quản lý.

Khai thác Bitcoin

PoS áp dụng cơ chế "tấn công chống phù thủy" khác với PoW. Vì bạn phải chi tiền cho máy tính và điện khai thác Bitcoin, tại sao không sử dụng tiền để chọn nhà sản xuất khối và bỏ qua quy trình tính toán chuyên sâu? PoS là ý tưởng lựa chọn những người đề xuất khối dựa trên số tiền mà mọi người đặt cược vào hệ thống, tức là tỷ lệ token mà mọi người sở hữu trong hệ thống.

Trong PoW, có The sức mạnh tính toán càng cao thì xác suất được chọn để đề xuất khối tiếp theo càng cao. Trong PoS, bạn sở hữu càng nhiều token thì khả năng trở thành nhà sản xuất khối càng cao.

Xin lưu ý, chưa Bắt đầu nói về cách đạt được sự đồng thuận về các khối. Có một quan niệm sai lầm phổ biến rằng PoW và PoS là các thuật toán đồng thuận. Thực ra không phải vậy. Họ chỉ đơn giản chọn các nhà sản xuất khối bằng cách hạn chế các nguồn lực khan hiếm.

Chặn đồng thuận

Đây là nơi mọi thứ trở nên thú vị , nơi hầu hết của sự đổi mới trong những năm gần đây đã xảy ra. Làm thế nào để chúng ta đạt được sự đồng thuận khi ai đó đề xuất một khối? Đây là vấn đề mà các nhà khoa học máy tính đã cố gắng giải quyết từ những năm 1980, để giữ cho các cụm máy tính được đồng bộ hóa khi một số trong số chúng thỉnh thoảng gặp sự cố. Đến những năm 1990, các nhà khoa học máy tính này bắt đầu nghĩ đến một câu hỏi khó hơn: Điều gì sẽ xảy ra nếu tin tặc có thể kiểm soát một số máy tính này? (Blue Fox Lưu ý: Điểm khác biệt giữa hai vấn đề này là một vấn đề chỉ làm máy tính bị treo một phần, còn vấn đề còn lại là máy tính không gặp sự cố mà bị điều khiển một cách ác ý.)

Liệu họ có thể xây dựng một hệ thống đủ mạnh để đảm bảo rằng tất cả các máy tính không độc hại vẫn có thể đạt được sự đồng thuận ? Tính năng này được gọi là "Khả năng chịu lỗi Byzantine" (BFT), dựa trên Bài toán tướng Byzantine. Hệ thống BFT là một chủ đề nghiên cứu khá nhỏ vì hầu hết các hệ thống không yêu cầu mức độ mạnh mẽ này vì hầu hết các cụm máy tính thường thuộc sở hữu của một công ty duy nhất. Phải đến khi blockchain xuất hiện, tình trạng này mới thay đổi.

Trong blockchain , bất kỳ ai có thể chạy một nút (một máy tính trong cụm) và có thể gửi thông tin hoặc dữ liệu đến các nút khác. Đây thực sự là một môi trường đối nghịch vì các tác nhân độc hại có thể giả vờ là các nút trung thực. Ví dụ: nếu 10 máy tính độc hại trong cụm gửi thông tin xung đột đến 9 máy tính khác thì sao?

Máy tính độc hại gửi thông tin xung đột đến các máy tính trung thực khác nhau

Vì máy tính trung thực không thể phân biệt giữa máy tính độc hại và máy tính không độc hại, Điều này Vấn đề trở nên rất khó khăn. Có hai cách chính để giải quyết vấn đề này: đồng thuận Satoshi và đồng thuận cổ điển.

中文Satoshi Đồng thuận

Cơ chế đồng thuận Satoshi được sử dụng trong Bitcoin và hầu hết các hệ thống PoW và được tiên phong bởi Satoshi Nakamoto. Nó có một quy tắc duy nhất: "Khi bạn thấy một khối được đề xuất có nhiều bằng chứng công việc nhất, hãy chấp nhận nó." Nói chung, khối có số cao nhất có nhiều bằng chứng công việc nhất. (Blue Fox Lưu ý: Đây là quy tắc chuỗi dài nhất của Bitcoin. Đây là xác nhận mang tính xác suất. Độ sâu khối được xác nhận càng dài thì giao dịch càng khó bị đảo ngược.)

Điều này có nghĩa là khối bạn nhìn thấy là "chính xác" , bạn không bao giờ là 100 % Chắc chắn. Ví dụ: nếu số khối cao nhất bạn nhìn thấy là 99 thì bạn có thể nhận được khối A ở khối số 100 nên bạn chấp nhận.

Đột nhiên, bạn nhận được khối B ở khối số 103, trong khi nó ở khối số 103 100 có khối khác nhau. Theo quy tắc đồng thuận, bạn cần "đảo ngược" khối A đã được chấp nhận trước đó và thay vào đó chấp nhận lịch sử khối mới.

Trong hệ thống này, các cuộc tấn công vượt quá 50% sức mạnh tính toán của hệ thống Người chơi sẽ có thể liên tục xây dựng chuỗi dài nhất và do đó có thể tạo bất kỳ khối nào họ muốn. Qua ví dụ này, chúng ta có thể thấy rằng những quy tắc này giúp mọi người thống nhất xem chuỗi nào là chuỗi có thể chấp nhận được.

Đồng thuận cổ điển

Trong Trước khi phát minh ra Đồng thuận Satoshi vào năm 2009, các nhà khoa học máy tính đã có nhiều giải pháp khác nhau cho vấn đề này, với những đặc điểm khác nhau. Thuật toán đồng thuận chịu lỗi Byzantine đầu tiên được gọi là Dung sai lỗi Byzantine thực tế (PBFT). Cách thức hoạt động là để một nhóm người tham gia bỏ phiếu theo nhiều vòng cho đến khi một tỷ lệ cử tri nhất định đạt được sự đồng thuận.

Dựa trên các cơ chế như PoS, hãy chọn một một số người đề xuất các khối. Anh ta gửi khối cho những người tham gia đã biết khác. Phiếu bầu được thực hiện bởi những người tham gia khác.

Vì hầu hết người tham gia đã bỏ phiếu ủng hộ khối nên hệ thống Mọi người trong khối sẽ chấp nhận khối là chính xác. Với kiểu đồng thuận này, sẽ có một nhóm cử tri được biết đến, nhưng một khi họ bỏ phiếu, khối sẽ trở thành cuối cùng. Do đó, không có khôi phục khối. Nếu có tranh chấp thì hệ thống sẽ dừng lại. (Ghi chú của Blue Fox: Sự chắc chắn cuối cùng của sự đồng thuận cổ điển hoàn toàn trái ngược với xác suất của sự đồng thuận của Satoshi Nakamoto.)

Thuật toán PBFT đã được sử dụng trong chuỗi khối. BFT nổi bật nhất thuật toán trong chuỗi cho đến nay là Tendermint Core. Tendermint Core là thuật toán đồng thuận đầu tiên trên blockchain không sử dụng sự đồng thuận của Satoshi Nakamoto mà dựa trên hơn 20 năm nghiên cứu khoa học máy tính.

Những hạn chế chính của BFT thuật toán là chúng thường được giới hạn ở một nhóm nhỏ cử tri vì tất cả cử tri đều cần biết trước. Rất khó để 100.000 người liên tục liên lạc với nhau để đi đến thống nhất. Cho đến nay, Cosmos đã vận hành một trong những hệ thống BFT công cộng lớn nhất, với hơn 200 trình xác thực tham gia vào mạng thử nghiệm Game of Stakes của họ. (Blue Fox Lưu ý: Harmony có hơn 200 người xác minh.)

Có các biến thể khác của đồng thuận Satoshi, chẳng hạn như GHOST (thuật toán tính điểm mới, không chỉ chuỗi dài nhất) và cũng có các biến thể khác của đồng thuận BFT, chẳng hạn như Casper-BFT và Thunderella .

Các biến thể thuật toán đồng thuận này sự khác biệt chính thực sự chỉ là cách các khối được đề xuất hoặc số lượng người tham gia đồng thuận. Thông thường, trong một nhóm thuật toán, giữa chúng có những sự đánh đổi tương tự nhau. Ngoài ra còn có các hình thức đồng thuận mới, chẳng hạn như Avalanche, không thuộc về bất kỳ chuỗi nào.

Sự đánh đổi giữa Đồng thuận cổ điển và Đồng thuận Satoshi Nakamoto, từ Cuộc biểu tình về trận tuyết lở của Gun Sirer

Làm cách nào để chọn thuật toán đồng thuận?

Theo Đối với loại ứng dụng bạn muốn xây dựng, dưới đây là các nguyên tắc để chọn thuật toán đồng thuận nào và từ đó chọn nền tảng hợp đồng thông minh nào.

1. Bạn muốn build Nhu cầu về tính hoàn thiện của ứng dụng cấp bách đến mức nào?

Đối với một số ứng dụng, tính hữu hạn là rất quan trọng, trong khi ở các ứng dụng khác, nó không quá quan trọng. Nếu bạn đang xây dựng một hệ thống thanh toán mới cho các khoản thanh toán vi mô, thì đó không phải là ngày tận thế nếu các giao dịch có thể bị đảo ngược. Tương tự, nếu bạn đang xây dựng một mạng xã hội phi tập trung, việc đảm bảo 100% rằng các cập nhật trạng thái sẽ được hoàn thành ngay lập tức không phải là một tính năng đặc biệt quan trọng. Ngược lại, nếu bạn đang xây dựng một sàn giao dịch phi tập trung, tính hữu hạn là một phần quan trọng trong trải nghiệm người dùng. Việc đảo ngược một thỏa thuận còn tệ hơn việc không thực hiện được thỏa thuận đó. Để tham khảo, thời gian tồn tại cuối cùng của Bitcoin là khoảng 1 giờ (Ghi chú của Blue Fox: 6 khối của Bitcoin được xác nhận là đã hoàn thành, về cơ bản có thể xác nhận rằng giao dịch đã hoàn tất, nhưng đây không phải là cuối cùng 100% mà là 6 khối sau một khối được xác nhận, việc đảo ngược giao dịch là cực kỳ khó khăn.) Thời gian cuối cùng của Ethereum là khoảng 6 phút, trong khi Tendermint Core có thời gian cuối cùng là 1 giây.

2. Bạn muốn build Ứng dụng được yêu cầu nhanh như thế nào?

Nếu bạn đang xây dựng Is có hợp lý không khi ứng dụng trò chơi phải đợi 15 giây (hoặc thậm chí lâu hơn) trước mỗi hành động? Do thời gian tạo khối của Ethereum, các trò chơi được xây dựng trên chuỗi khối Ethereum có trải nghiệm người dùng kém vì thông lượng của nó quá thấp. Tuy nhiên, một ứng dụng chuyển quyền sở hữu chứng chỉ nhà có thể rất phù hợp để chạy trên Ethereum. Xây dựng ứng dụng bằng SDK Cosmos cho phép các nhà phát triển sử dụng Tendermint Core có sẵn, có thời gian khối ngắn hơn và thông lượng cao, lên tới 10.000 giao dịch mỗi giây. Bạn có thể đạt được điều này bằng cách đặt ít trình xác thực hơn cho ứng dụng của mình, điều này giúp giảm chi phí liên lạc và tăng tốc độ xử lý ứng dụng.

3. Tính năng "phân tâm" mà ứng dụng bạn muốn yêu cầu cấp độ xây dựng của "?"

Một số ứng dụng, chẳng hạn như trò chơi, có thể không yêu cầu khả năng chống kiểm duyệt đáng kể, đây đơn giản là sản phẩm phụ của quá trình phân cấp. Về lý thuyết, người xác thực có thể tạo các cartel và thực hiện các giao dịch chặn/đảo ngược trong trò chơi để kiếm lợi nhuận, nhưng điều này có thực sự quan trọng trong một ứng dụng không? Nếu điều đó không quá quan trọng thì một blockchain tương tự như EOS có thể phù hợp với trường hợp sử dụng của bạn vì nó có tốc độ giao dịch nhanh hơn và không mất phí.

Tuy nhiên, một số ứng dụng , chẳng hạn như các ngân hàng tự chủ, có yêu cầu cao về phân cấp. Mặc dù Ethereum được coi là phi tập trung, một số người ủng hộ cho rằng sự tập trung của các nhóm khai thác Ethereum là một biểu hiện quan trọng cho xu hướng tập trung hóa của nó. Trên thực tế, nó chỉ có 11 trình xác nhận (nhóm khai thác).

Xây dựng các khối Một của riêng bạn Một trong những lợi ích to lớn của việc xây dựng ứng dụng của bạn trên blockchain thay vì trên nền tảng hợp đồng thông minh khác là bạn có thể tùy chỉnh phương thức xác minh cho ứng dụng của mình. Tuy nhiên, rất khó để xây dựng chuỗi khối của riêng bạn, vì vậy về mặt này, sẽ rất hữu ích khi sử dụng SDK Cosmos để dễ dàng xây dựng chuỗi khối của riêng bạn và tùy chỉnh mức độ phân cấp cần thiết cho ứng dụng của bạn.

4. Nếu hệ thống dừng lại Có chấp nhận được không?

Nếu bạn đang xây dựng Tương tự đến các ứng dụng chia sẻ chuyến đi phi tập trung, khi đó việc đảm bảo rằng dịch vụ chạy suốt ngày đêm có thể là ưu tiên cao nhất, ngay cả khi một số lỗi không thường xuyên xảy ra, chẳng hạn như giao dịch bị đảo ngược.

Một thuộc tính của Tendermint Core là nếu có bất đồng, mạng sẽ chọn dừng thay vì tiếp tục giao dịch không chính xác. Một số ứng dụng, chẳng hạn như ứng dụng sàn giao dịch phi tập trung, yêu cầu tính chính xác bằng mọi giá. Nếu có vấn đề, các giao dịch phi tập trung có thể bị tạm dừng thay vì thực hiện các giao dịch có thể đảo ngược.

Kết luận

Không tồn tại Một thuật toán đồng thuận "tốt nhất". Mỗi thuật toán đều có sự đánh đổi riêng. Tuy nhiên, bằng cách hiểu rõ quy trình đồng thuận (đề xuất và đạt được sự đồng thuận) cũng như thiết lập một khuôn khổ để suy nghĩ về những thuật toán đồng thuận mà ứng dụng của bạn có thể cần, bạn có thể giúp mình đưa ra quyết định sáng suốt hơn khi chọn blockchain. Tất nhiên, có những yếu tố khác cần xem xét, chẳng hạn như công cụ dành cho nhà phát triển, cộng đồng, v.v.

Nói chung, PoW và PoS không phải là thuật toán đồng thuận. Chúng là một cơ chế "kháng Sybil" giúp chọn lọc những người đề xuất chặn.

Hai sự đồng thuận chính Nhóm là sự đồng thuận Nakamoto và sự đồng thuận cổ điển. Các thuật toán này được sử dụng để đạt được sự đồng thuận về các khối trong chuỗi khối. Mỗi thuật toán đồng thuận đều có sự đánh đổi riêng. Chọn thuật toán đồng thuận và nền tảng hợp đồng thông minh theo kịch bản ứng dụng. Các yếu tố cần xem xét:

l Tính cuối cùng

l Tốc độ

l Mức độ phân quyền

l hoạt động

Chào mừng bạn tham gia cộng đồng chính thức của BlockBeats:

Nhóm Telegram đăng ký: https://t.me/theblockbeats

Nhóm Telegram thảo luận: https://t.me/BlockBeats_App

Tài khoản Twitter chính thức: https://twitter.com/BlockBeatsAsia