科普：區塊鏈與分佈式系統

編者按：本文來自登鏈社區，Odaily經授權轉載。

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區塊鏈技術的火熱推動了傳統分佈式技術的進一步發展。從區塊鏈技術的本質來看，基本脫離不開傳統分佈式系統跟密碼學的核心技術。那麼區塊鏈技術真的值得去研究嗎？是區塊鏈選擇了我們，還是我們選擇了區塊鏈？本文從一個分佈式系統研究者的角度來理解區塊鏈。

人們常常把區塊鏈當作分佈式數據庫，或者是分佈式賬本，這種說法不准確，而且具有迷惑性。區塊鏈與我們常見到的分佈式數據庫相比，我認為區別主要有兩個：共識算法和鍊式結構。這兩者相輔相成，共同構成了區塊鏈的獨特性。

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分佈式數據庫所採用的共識算法一般都是基於Paxos 所衍生出來的一系列算法。這些算法的安全性仰賴於中心化的假設，即所有的節點由一個可信賴的中心管理。在這個假設下，所有節點都被認為是“誠實”的，也就是說，所有節點都竭盡全力去傳遞消息，並且消息不會被篡改。如果有少部分節點宕機，或者失聯也不會影響協議的安全性。

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然而區塊鏈中的共識算法沒有中心化的假設，每個節點都可以被認為是有獨立行為的，這也是區塊鏈“去中心化”的由來。協議允許一部分節點（一般少於1/3）是拜占庭節點，它們可以按照自己的意願選擇遵從或者違背協議，發送任意消息或者假裝宕機。拜占庭節點可以是被攻擊者完全控制的節點，也可以是自身軟件出現嚴重bug 的節點。這類算法被稱作拜占庭容錯（Byzantine fault-tolerant）算法，簡稱BFT。很明顯可以看出，區塊鏈的共識算法的容錯性要遠遠高於傳統的分佈式數據庫，因此往往也更低效。
針對BFT 共識算法的研究從很早就開始了，其中影響力最大的就是圖靈獎得主Barbara 在1999 OSDI 年提出的PBFT (Practical BFT) [1]。然而由於算法的複雜性過高，很難進行大規模部署。除此之外，這類算法還要求每個節點的身份已知，也就是說，在協議初始或者新節點加入時，都需要有准入控制（Access Control）機制，保證節點之間可以互相驗證身份。基於以上原因，針對傳統的BFT 協議的研究到了2010 年也沒有很大的進展。

極大的資源消耗。參與到網絡中的礦工需要付出龐大的硬件費用和電費。

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為了減少上述代價，有不少研究者都做出了卓越努力。例如，為了提高共識算法的性能，來自Cornell 大學的研究者在2016 年的NDSI 提出了Bitcoin-NG [2]。來自MIT 和Stanford 的研究者在2019 年的CCS 提出了Prism [3]，進一步對比特幣進行擴容。此外，為了減少資源消耗，來自MIT 的研究者在2017 年SOSP 上提出了基於Proof-of-Stake 的Algorand，移除了挖礦的消耗。

總結

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