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京準(zhǔn)科技 | NTP授時(shí)服務(wù)器應(yīng)用分布式區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈的工作證明其實(shí)是一個(gè)分布式時(shí)鐘

本文主要解釋了區(qū)塊鏈中的重要功能：工作證明(Proof-of-Work)。主要說明工作證明對(duì)于區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)重要特征,，而且是必須的,；區(qū)塊鏈中其他經(jīng)常被提及特征（如安全性）反而是次要的，雖有用但非必須,。

本文的解釋主要是基于區(qū)塊鏈工作證明的一些有趣特性,，這些特性其實(shí)不能顯而易見，有時(shí)甚至與直覺相反,，例如區(qū)塊鏈的參與者可以在不需要溝通的情況下共同解決問題,。

在了解了這些特性之后,，人們應(yīng)該容易得出結(jié)論：工作證明主要是完成分布式或分散式的時(shí)間機(jī)制（如時(shí)鐘）。

請(qǐng)注意,，這篇文章不是關(guān)于工作證明本身解釋,，它只是說明了區(qū)塊鏈?zhǔn)侨绾卫盟摹Ｈ绻鷮?duì)工作證明不了解,，那么這個(gè)鏈接可能是一個(gè)好的開始,。

分散賬本的時(shí)間排序問題

在進(jìn)一步描述解釋之前，讓我們先把重點(diǎn)放在這個(gè)問題上,，也就是時(shí)間排序問題,。關(guān)于工作證明的許多文獻(xiàn)都很混亂，因?yàn)樗鼈兛偸窃噲D解釋問題的結(jié)果而不是首先確定問題本身,。

任何分類賬都絕對(duì)需要順序,。一個(gè)人不能花沒有收到的錢，也不能花已經(jīng)花了的錢,。區(qū)塊鏈交易（或稱區(qū)塊鏈?zhǔn)聞?wù)）必須明確順序,，并且不需要可信任的第三方來協(xié)調(diào)順序。

即使區(qū)塊鏈不是分類賬,，而只是某種如順序日志的數(shù)據(jù),，但對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相同的區(qū)塊鏈復(fù)制副本，順序也是必需的,。區(qū)塊鏈的順序不同就意味著不同的區(qū)塊鏈,。

但是，如果交易是由世界各地的匿名參與者產(chǎn)生的,，并且沒有中心化組織負(fù)責(zé)交易之間的順序排列,，但事實(shí)需要一個(gè)排序，那么該怎么辦呢,？雖然一個(gè)交易（或塊）可能包括時(shí)間戳,，但這些時(shí)間戳怎么可信,？

時(shí)間只是人的概念,，時(shí)間的衡器比如一個(gè)原子鐘對(duì)于人來說是一個(gè)“可信賴的第三方”。但是,，由于網(wǎng)絡(luò)延遲以及時(shí)間相對(duì)性的影響,，依靠時(shí)間戳來確定事件順序在分散系統(tǒng)中是不可能的。

我們感興趣的“時(shí)間”不是我們習(xí)慣的像年,、月,、日等時(shí)間概念。我們需要的是一種機(jī)制,，通過這種機(jī)制我們可以驗(yàn)證一個(gè)事件發(fā)生在另一個(gè)事件之前或者可能同時(shí)發(fā)生,。（banq注：事件的順序性）

首先,，對(duì)于什么是之前和什么是之后的等概念，需要建立一個(gè)時(shí)間點(diǎn),。建立一個(gè)時(shí)間點(diǎn)起初在理論上似乎是不可能的,，因?yàn)闆]有足夠精確的技術(shù)來測(cè)量 普朗克時(shí)間。但正如你所看到的,，比特幣通過創(chuàng)建自己的時(shí)間概念來解決這個(gè)問題,，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，確定精確的時(shí)間點(diǎn)實(shí)際上是有可能的,。

Leslie Lamport在 1978年的論文 “分布式系統(tǒng)中的時(shí)間,，時(shí)鐘和事件順序”中很好地描述了這個(gè)問題 ， 除了“正確同步的物理時(shí)鐘”之外,，該文實(shí)際上并沒有提供全面的解決方案,。在1982年，Lamport還描述了“拜占庭將軍問題”,，而Satoshi在他的第一封電子郵件中解釋了工作證明是如何解決這個(gè)問題的,，因?yàn)楸忍貛盼募赋觥耙趯?duì)等網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)分布式時(shí)間戳服務(wù)器，我們將需要使用工作證明系統(tǒng)“,，這表明工作證明主要就是解決時(shí)間戳問題的,。

時(shí)間是根本問題

必須強(qiáng)調(diào)的是， 在分布式系統(tǒng)中不可能將事件與時(shí)間點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來,，這是一個(gè)未解決的問題,，直到中本聰發(fā)明了區(qū)塊鏈的工作證明這個(gè)解決方案之后，分散的分類帳才可能得以實(shí)現(xiàn),。區(qū)塊鏈還有許多其他技術(shù)細(xì)節(jié),，但時(shí)間選擇是基礎(chǔ)性和重要的。沒有時(shí)間就沒有區(qū)塊鏈,。

工作證明文件

簡(jiǎn)而言之,，區(qū)塊鏈的工作證明是一個(gè)符合某個(gè)要求的SHA-2哈希值，這個(gè)值是非常難以找到的,。困難之處在于哈希小于一個(gè)特定數(shù)字,，數(shù)字越小，輸入值越稀少并且發(fā)現(xiàn)它的難度就越高,。

它被稱為“工作證明”,，因?yàn)橐阎哂羞@種哈希的值非常罕見，這意味著找到這樣的值需要大量的試錯(cuò),，即“工作”,。反過來，這意味著 “時(shí)間”。

通過改變需求,，我們可以改變難度,，從而改變發(fā)現(xiàn)這種哈希的可能性。比特幣難度動(dòng)態(tài)調(diào)整,，以便每十分鐘平均能找到一個(gè)正確的哈希值,。

在塊之間什么也不會(huì)發(fā)生

區(qū)塊鏈的狀態(tài)由其塊體現(xiàn)，每個(gè)新塊都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新狀態(tài),。區(qū)塊鏈狀態(tài)一次向前移動(dòng)一個(gè)區(qū)塊的距離,，而一個(gè)區(qū)塊需要花費(fèi)平均10分鐘，這個(gè)時(shí)間是區(qū)塊鏈時(shí)間的最小量度,。

SHA是無記憶Memoryless,，無進(jìn)展的Progress-Free

安全哈希算法是統(tǒng)計(jì)和概率中的無記憶Memoryless。這是一個(gè)對(duì)我們?nèi)祟悂碚f特別違反直覺的概念,。

無記憶的最好例子是擲硬幣,。如果一枚硬幣連續(xù)出現(xiàn)10次同一面，這是否意味著下一次投擲更可能是反面,？我們的直覺說是的,，但實(shí)際上每次投擲都是50/50的機(jī)會(huì)，無論前面發(fā)生了多少次巧合現(xiàn)象,。

無記憶對(duì)于無進(jìn)展的Progress-Free是需要的,。無過程意味著，隨著礦工們?cè)噲D解決對(duì)隨機(jī)數(shù)進(jìn)行迭代以找到下一個(gè)塊的哈希值（解決方案）,，每次嘗試都是一個(gè)獨(dú)立的事件,，無論過去做了多少工作，每次嘗試都找到解決方案的概率是不變的,。換句話說,，在每一次嘗試中，參與者都沒有更接近解決方案或沒有取得任何進(jìn)展,。一位一直在尋找哈希值一年的礦工在下一次嘗試時(shí)不會(huì)比一個(gè)剛剛開礦的礦工更有可能找到哈希值,。

因此，在給定的時(shí)間段內(nèi)找到給定解決方案（哈希值）的可能性僅由所有參與者在哈希中迭代的速度決定,。不是以前的歷史,，不是數(shù)據(jù)，只是哈希率,。

哈希率又是參與者數(shù)量和用于計(jì)算哈希的設(shè)備速度的函數(shù),。

SHA輸入是不相關(guān)的

在比特幣區(qū)塊鏈中，輸入是區(qū)塊頭部,。但是如果我們只給它隨機(jī)值，那么找到一致性散列的概率仍然是一樣的。無論輸入是有效的塊頭還是來自/ dev / random的字節(jié),，平均需要10分鐘才能找到下一塊的哈希值,。

當(dāng)然，如果你發(fā)現(xiàn)一個(gè)符合要求的哈希,，但你的輸入不是一個(gè)有效的塊,，這樣的解決方案不能被添加到區(qū)塊鏈，但它仍然是工作量驗(yàn)證（盡管無用）,。

難度是銀河系

奇怪的是,，困難是普遍的，這意味著它橫跨整個(gè)宇宙,。 我們可以讓在火星上的礦工幫忙尋找,，他們不需要與地球礦工溝通，關(guān)鍵還是每10分鐘才會(huì)找到答案,。（好吧,，他們需要以某種方式告訴地球人他們是否解決了這個(gè)問題，否則我們永遠(yuǎn)都不會(huì)知道）,。

值得注意的是,，遠(yuǎn)方的參與者之間沒有真正的交流溝通，因?yàn)樗麄児餐鉀Q相同的統(tǒng)計(jì)問題,，但他們甚至不知道彼此的存在,。

這種“普遍性”雖然起初看起來很神奇，但實(shí)際上很容易解釋,。我使用了“通用universal”一詞,，因?yàn)樗靡粋€(gè)詞來形容它，但它確實(shí)意味著“每個(gè)參與者都知道”,。

SHA-256的輸入可以被認(rèn)為是0到2的 256平方之間的一個(gè)整數(shù)（因?yàn)檩敵鍪?2字節(jié),，也就是說0和2的 256平方之間，任何更大的值都可以保證碰到,，比如變?yōu)槿哂啵?。即使它非常大?比可感知宇宙中的原子數(shù)目大得多），它是一組數(shù)字,，每個(gè)參與者都知道,，參與者只能從這組數(shù)據(jù)中挑選出來。

如果輸入集是眾所周知的,，函數(shù)（SHA-256）是眾所周知的,，并且難度要求是眾所周知的，那么找到解決方案的可能性也確實(shí)是“普遍的”,。

嘗試SHA會(huì)使您成為參與者

如果確定的問題是要找到符合的哈希值,，那么您只需要嘗試一次,，而且Bingo，您也已經(jīng)影響了全局哈希率,，并且對(duì)于那個(gè)嘗試您是參與者幫助其他人解決問題的人,。你不需要告訴別人你做了這件事（除非你真的找到了解決方案），其他人不需要知道它,，但是你的嘗試確實(shí)影響了結(jié)果,。對(duì)于整個(gè)宇宙來說，no less,。

如果上述情況仍然令人懷疑,，一個(gè)很好的比喻可能是尋找大質(zhì)數(shù)的問題。找到最大的質(zhì)數(shù)是很難的,，一旦找到,，它就變成“被發(fā)現(xiàn)”或“已知”。有無數(shù)的質(zhì)數(shù),，但宇宙中每個(gè)數(shù)字只有一個(gè)實(shí)例,。 因此，試圖找到最大素?cái)?shù)的人正在研究同一個(gè)問題,。你不需要告訴任何人你決定尋找最大素?cái)?shù),，你只需要在你找到一個(gè)時(shí)發(fā)布它。如果沒有人找到最大的素?cái)?shù),，那么它永遠(yuǎn)不會(huì)被發(fā)現(xiàn),。因此，只要最終被發(fā)現(xiàn)（如果被發(fā)現(xiàn)的話）被公布,，參與（即試圖找到一個(gè)）者,，即使它是完全保密的，仍然影響結(jié)果,。

想想這個(gè)令人難以置信的統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象,，即任何參與者即使在完全保密的情況也會(huì)影響結(jié)果，即使并沒有成功也會(huì),，這正是讓中本聰?shù)陌l(fā)明顯得如此輝煌原因,。

值得注意的是，由于尋找SHA是沒有進(jìn)展的概念問題,，每次嘗試都可以被認(rèn)為是一個(gè)參與者努力加入并立即離開,。因此，礦工每秒鐘加入和離開五十次,。

參與是一種統(tǒng)計(jì)顯示

在許多網(wǎng)站上列出的全球哈希率并不是因?yàn)槊總€(gè)礦工都在某些“礦工注冊(cè)辦公室”注冊(cè),，他們定期報(bào)告哈希率。但是沒有這樣的東西存在,。

哈希率是已知的,，因?yàn)閷?duì)于在10分鐘內(nèi)找到特定難度的解決方案,，平均而言，這種許多嘗試（在撰寫本文時(shí)?10的21）必須由某處某人實(shí)現(xiàn),。

我們不知道這些參與者是誰,，他們從未宣布他們正在工作,，沒有找到解決方案的人（實(shí)際上他們都是）并沒有告訴任何人他們正在工作,，他們的位置可能在宇宙中的任何地方，但我們絕對(duì)確定地知道它們存在,。因?yàn)閱栴}需要繼續(xù)得到解決（哈希值需要被找到）,。

工作是一個(gè)時(shí)鐘

問題的關(guān)鍵在于：找到一致性哈希的難度就像一個(gè)時(shí)鐘。如果你愿意的話,，一個(gè)通用的時(shí)鐘,，因?yàn)橛钪嬷兄挥幸粋€(gè)這樣的時(shí)鐘，所以沒有什么可以同步,，任何人都可以“看”它,。

這個(gè)時(shí)鐘不準(zhǔn)確并不重要。重要的是,，這對(duì)每個(gè)人來說都是同一個(gè)時(shí)鐘,，并且區(qū)塊鏈的狀態(tài)可以毫不含糊地與時(shí)鐘的滴答聲掛鉤。

#高考起航夢(mèng)想生活#

這個(gè)時(shí)鐘是由遍布全球的未知數(shù)量的集體參與者的多重效率操作的,，彼此完全獨(dú)立,。

謎題的最后一部分

解決方案必須是區(qū)塊的哈希（準(zhǔn)確說是區(qū)塊頭部）。正如我們所提到的那樣,，輸入并不重要,，但如果它是實(shí)際的塊，那么無論何時(shí)找到解決方案,，它都發(fā)生在我們的工作時(shí)間校驗(yàn)時(shí)鐘的滴答處,。不是在此之前，也不是在其之后,，而是正好在滴答此刻,。我們毫不含糊地知道這一點(diǎn)，因?yàn)樵搲K是該機(jī)制的一部分,。

換句話說,，如果塊不是輸入到SHA256函數(shù)，我們?nèi)匀粫?huì)有一個(gè)分布式時(shí)鐘,，但是我們不能將這個(gè)塊與這個(gè)時(shí)鐘的滴答連接起來,。使用塊作為輸入解決了這個(gè)問題。

值得注意的是,，我們的工作證明時(shí)鐘僅為我們提供了滴答計(jì)時(shí),。沒有辦法從滴答判斷順序,，這就是Merkle樹的用途。

分布式共識(shí)如何,？

共識(shí)意味著協(xié)議,。所有參與者只能一致認(rèn)可時(shí)鐘的滴答別無選擇能達(dá)成共識(shí)。此外,，每個(gè)人都知道滴答和附加的數(shù)據(jù),。事實(shí)上，正如中本聰在前面引用的電子郵件中解釋的那樣,，這確實(shí)解決了拜占庭將軍問題,。

在一個(gè)罕見但常見的情況下，有兩個(gè)連續(xù)的滴答與一個(gè)塊有關(guān)聯(lián),，發(fā)生沖突,。這個(gè)沖突是通過什么塊與下一個(gè)滴答相關(guān)聯(lián)來解決的，使得有爭(zhēng)議的塊之一成為“孤兒”,。區(qū)塊鏈如何繼續(xù)是一個(gè)偶然的事情,，所以這也可能間接地歸因于工作時(shí)間時(shí)鐘。

就是這樣

這是工作證明為區(qū)塊鏈所做的工作,。這不是一個(gè)“礦工”,，礦工是獲得解決問題的權(quán)利，也不是將真正的能量轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的概念,，而是所有的紅鯡魚,。

例如，礦工中獎(jiǎng)的獎(jiǎng)勵(lì)是鼓勵(lì)礦工參與的原因,，但這并不是使區(qū)塊鏈成為可能的原因,。區(qū)塊是一個(gè)Merkle樹，但它又與工作證明無關(guān),，它加密地加強(qiáng)了區(qū)塊排序的記錄,。Merkle樹也使得以前的滴答“更確定”，“更不可否認(rèn)”或更簡(jiǎn)單,。

工作量證明也是塊體實(shí)際上不可變的機(jī)制,，這是一種很好的副作用，可以使隔離見證成為可能,，但它也可以通過保留簽名（證人）來完成,，所以這也是次要的。

結(jié)論

比特幣區(qū)塊鏈工作證明只是一個(gè)分布式的,、分散式的時(shí)鐘,。

如果你理解了這個(gè)解釋，那么你應(yīng)該更好地把握證明工作證明與權(quán)益證明Proof-of-Stake的比較,，并且很明顯這兩者不具有可比性：權(quán)益證明是關(guān)于（隨機(jī)的分布式）權(quán)限,，而工作證明是一個(gè)時(shí)鐘,。

在區(qū)塊鏈的背景下，工作證明可能是一種誤用,。這個(gè)術(shù)語是Hashcash項(xiàng)目的遺產(chǎn) ,，它確實(shí)用于證明工作。在區(qū)塊鏈中,，卻主要是關(guān)于可驗(yàn)證的花費(fèi)時(shí)間,。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)滿足難度的哈希值時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)它需要一定時(shí)間,。完成這個(gè)時(shí)間的方法就是“工作”,，哈希是有趣的,，因?yàn)樗菚r(shí)間的證明,。

工作證明完全是關(guān)于時(shí)間而非工作的事實(shí)也表明，可能存在其他類似的統(tǒng)計(jì)挑戰(zhàn),，這些挑戰(zhàn)既費(fèi)時(shí)又耗力,。這也可能意味著比特幣哈希率過高，而且我們上面描述的比特幣時(shí)鐘可以在一小部分哈希率上可靠地運(yùn)行,，但哈希率是刺激能源消耗的激勵(lì)結(jié)構(gòu),。

如果找到一種方法來減少工作的耗時(shí)就會(huì)產(chǎn)生萬億美元的問題，請(qǐng)讓我知道,！