区块链里的分布式算法到底是怎么工作的

导读： 有人提及区块链时, 不少人的首个反应是那个比特币或者智能合约, 然而实际上, 真正为整个体系提供有力支撑的底层技术, 是分布式算法。换句话讲, 区块链从本质上来说...

有人提及区块链时, 不少人的首个反应是那个比特币或者智能合约, 然而实际上, 真正为整个体系提供有力支撑的底层技术, 是分布式算法。换句话讲, 区块链从本质上来说, 是一个由大量节点一同进行维护的分布式账本, 而这些节点之间, 怎样达成一致, 怎样防止出现作恶行为, 怎样确保数据不被篡改, 依靠的皆是一套经过精心设计的算法逻辑。如果没有分布式算法, 区块链就仅仅是一堆相互矛盾的数据库碎片, 根本没办法构建起可信的网络。

共识机制为什么是分布式算法的核心

区块链的分布式算法里, 最核心的部分是共识机制。所谓共识, 指的是让所有参与维护网络的节点, 在不存在中心化指挥的情形下, 就同一笔交易、同一个区块的状态达成一致。这个问题存在难度,原因在于网络中的节点可能散布在全世界不同的机房, 网络延迟、节点宕机乃至恶意攻击都属于常态, 算法必须在这种环境下依旧确保结果一致。

当下普遍被认可的共识算法涵盖工作量证明, 权益证明以及实用拜占庭容错等等。工作量证明凭借计算难题去角逐记账权, 尽管要耗费大量能源, 然而安全性超高, 比特币便是突出的例子。权益证明是经由抵押代币以获取记账资格, 极大程度降低了能源消耗, 以太坊朝向权益证明转变后, 网络能耗降低幅度超过99%。实用拜占庭容错更契合联盟链场景, 节点数量有限且彼此并非全然信任, 它能够在部分节点作恶的情形下仍旧达成一致, 效率远比工作量证明高。

实际上是在安全性、去中心化程度以及性能这三者之间进行权衡, 从而来挑选出合适的共识算法。公链常常会更加侧重于去中心化以及安全方面, 联盟链却更多的是注重性能以及合规性, 这样的不同无疑直接决定了算法设计的发展趋向之处。

分布式算法如何解决数据一致性和容错问题

在分布式算法里, 除了共识机制之外, 还得去解决数据一致性以及容错这两个基础方面的问题。区块链网络当中的节点, 随时都有可能处于离线状态, 同时也有可能接收到不同顺序的交易, 要是不存在一套同步机制的话, 那么每个节点所保存的数据, 就会在偏离的道路上越走越远。

围绕解决这个问题, 区块链所采用的数据结构自是有独到之处。每个区块里都存有前一个区块的哈希值, 如此便构成了一条无法被篡改的链条, 一旦对历史数据做了更改之举, 则会造成后续一个个区块的哈希无法匹配等状况, 其他节点马上便能够察觉到其中存在的异常之处。此外, 在节点之间, 其交易与区块是借助广播协议来进行同步操作的, 每条经由这个协议的交易, 都会被标记附加时间戳以及序列号在内的相关标识依据, 借此来保证所有节点都能够依据相同的顺序去处理交易。就此完成对于交易的处理流程。这里是在陈述区块链在数据处理方面的一系列特性及运作方式进而达成交易处理过程。

在容错这一方面, 分布式算法要确切明确出一个容忍的上限, 举例来说, 实用拜占庭容错算法作出要求, 网络当中作恶的节点数量只要不得多于三分之一, 才能够确保系统正常地施行运行, 这个比例并非是随意去确定的, 而是经由数学证明得出的临界数值, 一旦恶意节点超出这个比例数, 从理论而言便能够支配控制整个网络, 这同样也是区块链项目格外重视节点分布拥有分散性的缘故, 目的是防止算力或者持币量出现过度集中的情况。

分布式算法的演进未曾停下脚步, 在区块链应用场景从数字货币迈向供应链、政务、医疗等领域的过程中, 因其对性能要求与日攀升, 分片技术、有向无环图等新型算法结构持续不断出现, 并且这些尝试从本质而言, 实属在不将安全性予以牺牲的情形下, 让分布式系统运行得更为快速, 理解分布式算法, 是理解区块链技术边界以及未来发展方面的关键进入通道。