共識算法：計算機如何共同達成協議並保持安全

工作原理

實例展示

想像一群朋友運營一個類似以太坊的網絡，來跟蹤他們的共同費用和交易。他們使用權益證明(PoS)來達成共識。

1. 校驗者：在他們的網絡中，每一個人都要拿出自己一定數量的以太幣作抵押，才能成為校驗者。愛麗絲抵押了10個以太幣，鮑勃抵押了5個以太幣，查理抵押了8個以太幣。

2. 區塊提議者：由於愛麗絲抵押的以太幣最多(10 個以太幣)，她在第一輪中被選為區塊提議者的機會更大。

3. 區塊驗證：愛麗絲提議了一個包含最近交易的新區塊。鮑勃和查理像其他校驗人員一樣，對交易進行檢查，以確保其合法性。

4. 達成共識和最終確定性：如果鮑勃和查理對愛麗絲提出的新區塊的提議表示贊同，他們就會將其添加到區塊鏈中。作為提出該新區塊的校驗者，愛麗絲會獲得一定的交易手續費作為獎勵，然後這個朋友圈組成的類以太坊網絡就進入下一輪區塊生成流程。

在這個實例中，朋友們通過輪流提出新的區塊並通過PoS共識算法對其進行驗證，從而維護他們共享的財務記錄。他們抵押的以太幣越多，成為校驗者並因保護網絡而獲得獎勵的機會就越大。

以太坊權益證明(PoS)可能遭遇的攻擊

以下用實際例子更詳細地說明以太坊的權益證明(PoS)共識算法可能遭受的一些常見攻擊：

• 描述：在PoS中，校驗者可以去創建和驗證多個衝突的區塊鏈版本，而不需要承擔任何成本。這種無代價的做法會助長不誠信的行為，導致無法達成共識，從而降低了安全性。
• 實例：想像愛麗絲和鮑勃都是以太坊的校驗者。他們沒有就單一的區塊鏈版本達成共識，而是分別創建和驗證不同的區塊鏈，也不需要承擔真正的後果。這會引起混亂，損害了網絡的安全性。當用戶試圖確認區塊鏈的真實狀態時，所得到的信息卻互相矛盾，這使得用戶很難相信系統的完整性。

2.長程攻擊（Long-Range Attack ）

• 描述：這類攻擊是指攻擊者在初始區塊創立時，就準備好另外一個可替代的區塊版本，然後用它取代當前的區塊鏈。
• 實例：假定查理想在以太坊中更改一個以前的交易。他開始從第一個區塊創建一個可替代的區塊，並將其隱藏起來。隨著時間推移，查理還在秘密地向自己的替代品中增加更多的區塊。當他終於公開這個被他隱藏起來的更長區塊鏈時，整個網絡都會對區塊真正的歷史版本感到困惑。參與者很難決定要相信哪條區塊鏈，致使網絡變得很容易被操縱。

3.無風險套利攻擊（Nothing-to-Stake Attack）

• 描述：在這種攻擊下，校驗者抵押的擔保很少，因此缺乏足夠的動機遵守規則並誠信行事。
• 實例：想像夏娃成為以太坊的一個校驗者，卻沒有抵押多少以太幣。由於她沒有太多資金押注，所以她可以不誠信行事而又無須承擔嚴重後果。夏娃可能會驗證包含無效交易的區塊，或支持互相衝突的區塊鏈，從而破壞網絡的一致性。因此，參與者會喪失對區塊鏈的有效性的信心，進而引發信任危機，導致系統可能陷入混亂。

4.51% 攻擊

• 描述：在這種攻擊下，攻擊者控制了網絡中超過51%的投票權，使其可以控制共識過程，並可能操縱交易。
• 實例：一群攻擊者設法抵押了以太坊網絡中超過51%的以太幣總量。有了多數控制權，他們可以決定哪些區塊被添加到區塊鏈中，並排除特定的交易。這種攻擊可能造成同樣的金額兩次支出，造成經濟損失並破壞網絡的完整性。用戶無法依賴區塊鏈的精準性，這導致對系統的信心崩潰和信任喪失。

為了防範這些攻擊，以太坊的 PoS 協議包含了懲罰抵押和檢查點等安全措施。這些機制共同保證了網絡的安全性，並使參與者能夠達成共識。有了這些防範措施，以太坊仍然是安全的，區塊鏈也可以被信任。共識算法維護了網絡的可靠性和安全性，在確保所有參與者能夠充滿信心地協作方面發揮著至關重要的作用。

因此，下次當你聽到區塊鏈或加密貨幣時，請記住共識算法在保持每件事同步和確保計算機之間的完美協作方面所發揮的重要作用。

感謝您加入我們對共識算法奧秘的探索之旅。

譯者介紹

劉濤，51CTO社區編輯，某大型央企系統上線檢測管控負責人。

原文標題：Consensus Algorithms: How Computers Agree and Stay Safe Together，作者：Sahil Sojitra