區塊鏈去中心化世界的烏雲暨曌鏈MIT全新SDWC共識演算法重構區塊鏈共識基石

最新 07-24

區塊鏈去中心化世界頭頂的一朵烏雲

在1900年4月27日，開爾文勛爵在英國皇家研究所做了一篇名為《在熱和光動力理論上空的十九世紀烏雲》的發言，演講中開爾文聲稱：

動力學理論認為熱和光都是運動的方式，現在這一理論的優美和明晰，正被兩朵烏雲籠罩著。

——?開爾文勛爵

開爾文對這兩個問題的在意程度反映了當時物理學界的普遍憂慮，但他很有可能沒有想到的是，這兩朵烏雲給物理學帶來的是一場突如其來的風暴，這場風暴顛覆了舊理論體系的框架，分別導致了二十世紀物理學的兩大理論體系：相對論和量子力學的誕生。

下圖分別是比特幣和以太坊全網算力分布圖，可以很清晰的看到排名前四的大礦池已經壟斷了遠超過51%的算力，區塊鏈所極力倡導的去中心化變成強中心化，這朵烏雲是否會給區塊鏈世界帶來新的一場狂風暴雨？

圖1:左圖是比特幣全網算力分布圖，右圖是以太坊算力分布圖

分散式系統原理

共識機制是區塊鏈底層基礎技術中最為重要的，可以說共識機制是區塊鏈技術底層的核心和靈魂。區塊鏈作為分散式系統的一個新興類型，它的共識機制演化過程是基於分散式系統的一些原理，現在先介紹這四大原理。

圖2:分散式系統共識機制的理論基礎

FLP不可能原理

FLP不可能原理（FLP Impossibility）由Fischer、Lynch和Patterson三位科學家於1985年發表的論文《Impossibilityof Distributed Consensus with One Faulty Process》指出：在非同步模型中，分散式系統中只要有一個進程不可用（失去響應或暫停），就可能無法達成整體的共識。（No completely asynchronous consensus protocol can tolerate even asingle unannounced process death）。

以上結論被稱為FLP不可能原理。該定理被認為是分散式系統中重要的原理之一。該原理提出：在網路可靠，存在節點失效（即便只有一個）的最小化非同步模型系統中，不存在一個可以解決一致性問題的確定性演算法。FLP原理實際上說明對於允許節點失效情況下，純粹非同步系統無法確保一致性在有限時間內完成。

CAP原理

CAP原理最早由加州大學伯克利分校的EricBrewer教授於2000年7月，在ACM PODC會議上提出CAP猜想，2年後，麻省理工學院的Seth Gilbert和Nancy Lynch從理論上證明了CAP。之後，CAP理論正式成為分散式計算領域的公認定理。

分散式計算系統不可能同時確保一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區容忍性（Partition），設計中往往需要弱化對某個特性的保證：

?數據強一致性(Consistency)：如果系統對一個寫操作返回成功，那麼之後的讀請求都必須讀到這個新數據；如果返回失敗，那麼所有讀操作都不能讀到這個數據，對調用者而言數據具有強一致性(strong consistency)；

?可用性(Availability)：所有讀寫請求在一定時間內得到響應，可終止、不會一直等待；

?分區容錯性(Partition-Tolerance)：在網路分區的情況下，被隔離的節點仍能正常對外服務；

分散式計算系統不可能同時確保一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區容忍性（Partition-Tolerance），設計中往往需要弱化對某個特性的保證，CAP原理對標的是經濟學中的三元悖論（Mundellian Trilemma）。

BASE理論

BASE理論是有eBay的架構師DanPritchett源於對大規模分散式系統的實踐總結，在ACM上發表文章提出BASE理論，BASE理論是對CAP理論的延伸，核心思想是即使無法做到強一致性（Strong Consistency，CAP的一致性就是強一致性），但應用可以採用適合的方式達到最終一致性（Eventual Consistency）。

BASE理論的定義

?基本可用（BasicallyAvailable）：基本可用是指分散式系統在出現故障的時候，允許損失部分可用性，即保證核心可用。電商大促時，為了應對訪問量激增，部分用戶可能會被引導到降級頁面，服務層也可能只提供降級服務。這就是損失部分可用性的體現。

?軟狀態（SoftState）：軟狀態是指允許系統存在中間狀態，而該中間狀態不會影響系統整體可用性。分散式存儲中一般一份數據至少會有三個副本，允許不同節點間副本同步的延時就是軟狀態的體現。MySQL replication的非同步複製也是一種體現。

?最終一致性（Eventual Consistency）：最終一致性是指系統中的所有數據副本經過一定時間後，最終能夠達到一致的狀態。弱一致性和強一致性相反，最終一致性是弱一致性的一種特殊情況。

BASE理論的核心思想是：即使無法做到強一致性，但每個應用都可以根據自身業務特點，採用適當的方式來使系統達到最終一致性。

區塊鏈數據的不可篡改性ACID原則

ACID也是一種比較出名的描述一致性的原則，通常出現在分散式資料庫領域。具體來說，ACID原則描述了分散式資料庫需要滿足的一致性需求，同時允許付出可用性的代價。

ACID特徵如下：

?Atomicity：每次操作是原子的，要麼成功，要麼不執行；

?Consistency：資料庫的狀態是一致的，無中間狀態；

?Isolation：各種操作彼此之間互相不影響；

?Durability：狀態的改變是持久的，不會失效。

ACID和BASE代表了兩種截然相反的設計思想。ACID是傳統資料庫常用的設計理念，追求強一致性模型。BASE支持的是大型分散式系統，犧牲掉對一致性的約束（但實現最終一致性），來換取一定的可用性。

區塊鏈共識機制

區塊鏈的底層基礎是共識演算法、各類對稱非對稱加密演算法、P2P分散式網路協議和區塊結構及存儲。共識機制是在這些底層基礎技術中最為重要的，可以說共識機制是區塊鏈技術底層的核心和靈魂。共識機制很大程度上決定了整個區塊鏈系統節點間的相互信任程度，也決定了其他使用者對於區塊鏈上數據的信任程度。

對於公有鏈來說，無論是EOS的複雜且容易形成小團體侵害散戶節點利益的DPOS演算法，還是Penta的沒有實用性且低效率的DSC演算法都無法將區塊鏈技術落地於真正的商業世界。

當前區塊鏈流行的各種共識演算法，雖然能解決部分問題，但是都有著這樣或那樣的缺點，現在羅列出來：

表1:各種共識演算法缺點

曌鏈MIT分片動態權重共識機制

CAP理論雖然揭示了，在分散式系統中不可能同時確保一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區容忍性（Partition-Tolerance），我們權衡出這三者關係對於區塊鏈落地商業世界的重要性，不追求強一致性（Strong Consistency），而是根據BASE理論達到最終一致性就可以，有鑒於此曌鏈（MIT）區塊鏈採用一種新創的基於三個維度權重計算的共識演算法：分片動態權重共識機制（Sharding Dynamic Weight Consensus，SDWC）：

?節點負載；

?網路質量；

?節點信用；

權重計算公式。

W1，2，3= w1x1+ w2x2+ w3x3;

W= 相對權重（%）

X= 歸一化後數值

表2:權重示例表

信用數值歸一化公式