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观点 | PoW 本质上是个去中心化的时钟
区间集 · 1周前 区块链 5882

作者 Gregory  



本文解释了比特币 PoW(Proof-of-Work, 工作量证明) 的关键要素,尤其对 PoW 来说不可或缺的一个特性,同时也表明关于 PoW 经常谈到的一些其他特性其实是次要作用,比如安全性,这些次要效应有用,但是非必要。 


要想理解本文,首先要懂得在区块链中,PoW 是如何工作的一些有趣的属性,这些属性并不那么直观,甚至可以说相当反直觉,比如参与者如何在 从来没有相互交流 的情况下,共同地求解一个问题。 


当理解了这些属性,你应该能够得出一个结论:PoW 的机制主要实现了一个分布式,去中心化的时间系统,即一个时钟。 


 注意本文并非关注 PoW 算法本身的细节,而是探究区块链如何“严丝合缝”地将 PoW 运用其中。如果你还没听过 PoW,请先阅读这里。 



分布式账本时间排序问题 


在讲解决方案之前,先来关注问题本身。很多 PoW 的相关资料都很令人费解,因为它们常常在没有阐明问题的情况下,就试图讲清楚解决方案。 


毫无疑问,任何账本都需要有序。你不能花费还没有收到的钱,也不能花费已经花出去的钱。区块链交易(或者说包含交易的块)必须有序,无歧义,同时无需可信的第三方。 


即便区块链不是一个账本,而是就像日志一样的数据,对于所有节点来说,如果要想共同保有一份完全相同的区块链副本,有序也是必不可少的。交易顺序不同,就是不同的两条链。 


但是,如果交易是由全世界的匿名参与者生成,也没有中心化机构负责给交易排序,那又如何实现这一点呢?有人会说,交易(或者块)可以包含时间戳,但是这些时间戳又如何可信呢? 


时间是一个人类概念,时间的任何来源,比如一个原子时钟,就是一个“可信第三方”,除此之外,由于网络延迟和相对论效应,时钟的大部分时间都有轻微误差。很遗憾,在一个去中心化系统中,不可能通过时间戳来决定事件的先后顺序。 


我们所关心的“时间”并不是所熟悉的年,月,日这种概念。我们需要的是这样一种机制,它可以用来确认一个事件在另一个事件之前发生,或者可能并发发生。 


首先,为了建立之前与之后的概念,首先必须要建立一个 时间点 的概念。理论上来说,建立一个点时间的概念似乎并不太可能,因为没有技术能够足够精确地测量普朗克时间。但是你会看到,比特币通过创建属于自己的时间概念变相解决了这个问题,使得确立精确的时间点概念在事实上成为可能。 


 Leslie Lamport 1978 年的论文 “分布式系统中的时间,时钟和事件顺序” 中对这个问题有了详细描述,但是除了“正确同步的物理时钟”,实际上并没有提供一个详细的解决方案。1982 年 Lamport 同样描述了 “拜占庭将军问题”,中本聪在他早期的一封邮件中 解释 了 PoW 如何解决了这个问题,比特币白皮书 指出“为了在端到端的基础上实现一个分布式的 时间戳服务器,我们将会使用一个工作量证明系统”,也表明了它主要解决了时间戳的问题。 




时间是根本问题 


必须要强调的是,在分布式系统中,不可能将事件与时间点关联起来,这是一个尚不可解问题,直到中本聪找到了一个解决方案,才使得分布式账本成为可能。在区块链中还有很多其他的技术细节,但是时间是最基础也是最重要的。没有时间,就没有区块链。 




PoW 回顾 


简而言之,比特币的 PoW 就是 SHA-2 哈希满足特定的条件的一个解,这个解很难找到。通过要求哈希满足一个特定的数字,就确定了一个难度(difficulty),难度的值越小,满足输入的数字越少,找到解的难度就越大。 


这就是所谓的“工作量证明”,因为满足哈希要求的解非常稀少,这意味着找到这样一个解需要很多试错,也就是,“工作(work)”。而工作也就是意味着 时间。 




块间无变化 


链的状态由块所反映,每个新的块产生一个新的状态。区块链的状态每次向前推动一个块,平均每个块 10 分钟,是区块链里面最小的时间度量单位。 




SHA 无记忆,无进展 


SHA(Secure Hash Algorithm)在统计学和概率上以无记忆性(memoryless) 闻名。对于我们人类而言,无记忆性有点反直觉。所谓无记忆性,就是无论之前发生了什么,都不影响这一次事件发生的概率。 


关于无记忆性,最好的例子就是抛硬币。如果一个硬币连续 10 次都是正面,那么下一次是反面的可能性会不会更大呢?我们的直觉是会,但是实际上,无论上一次的结果是什么,每次抛硬币正反面都是一半一半的概率。 


而对于需要无进展(progress-free)的问题,无记忆性又是必要条件。 


progress-free 意味着当矿工试图通过对 nonces 进行迭代解决难题时,每一次尝试都是一个独立事件,无论之前已经算过了多少次,每次尝试找到答案的概率是固定的。换句话来说,每次尝试,参与者都不会离“答案”越近,或者说有任何进展(progress)。就下一次尝试而言,一个已经算了一年的矿工,与上一秒刚开始算的矿工,算出来的概率是一样的。 


 在指定时间内,给定一个难度,找到答案的概率 唯一地由所有参与者能够迭代哈希的速度决定。与之前的历史无关,与数据无关,只跟算力有关。 


 因此,算力是一个与参与者数量,和那些用来计算哈希设备的速度相关的函数。 




SHA 与输入无关 


在比特币中,输入的是区块头。但是如果给它随机传入一些值,找到一个合适哈希的概率仍然是一样的。无论输入是一个有效的块头,还是 /dev/random 中随机的一些字节,都要花费平均 10 分钟来找到一个解。 如果你找到了一个合适的哈希,但是输入却不是一个有效的块头,虽然无法将块上链,但是它仍然是一个工作量证明(即使没啥用)。 




难度属于银河系 


令人惊奇的是,难度是 universe(全宇宙,或者说通用的),也就是说它充满了整个宇宙,无处不在。火星上的矿工也同样能参与挖矿,但是他们不需要感知到地球矿工的存在,也不需要与地球上的矿工有交流,仍然是每 10 分钟就会解决一个“难题”。(好吧,当他们解出难题时,需要告诉地球上的矿工,否则我们永远也不知道)。 


 了不起的是,远距离参与者不需要通过真正的相互交流进行沟通,因为他们在共同地求解同一个统计学问题,并且他们甚至互相感知不到对方的存在。 


“通用属性(universal property)”一开始看起来很神奇,实际上很容易解释。我用了“通用”一词,因为就这一个词即可表达到位,但是它实际指的是“所有参与者都知道(这个难度)”。 


SHA-256 的输入可以是 0 到 2 的 256 方之间的任何一个整数(因为输出是 32 字节,也就是在 0 到 2^256,任何超过该范围的数将会导致冲突,也就是多余)。即使这个集合已经非常大了(比已知宇宙里所有原子总数都大),不过每个参与者都知道这个集合,并且只能从这个集合里选取一个数。 


如果输入的集合全世界都知道,SHA-256 全世界都知道,难度要求也是全世界都知道了,那么找到一个解的概率自然也就是“全世界都知道(universe)”。 




计算 SHA 即参与 


如果所述问题是找到一个合适的哈希,那么要想解出这个问题,只需要去试一次,但是,哪怕就试一次,你就已经影响了整个算力。就这次尝试而言,你就已经成为了一个帮助其他人解决问题的参与者。虽然你不需要告诉其他人你“做了”(除非你找到了答案),其他人也不需要知道,但是想要找到解的这次尝试 真真切切地 影响到了结果。对于全宇宙而言,也是如此。 


如果上面这段话看起来仍然不是那么令人信服,一个很好的类比就是寻找大素数问题。找到最大的素数很难,并且一旦找到,它就是“被发现”或者“已知的”。有无数的素数,但是在全宇宙中,每个数只有一个实例。因此无论是谁试图找到最大素数,就是在解同一个问题,而不是这个问题另一个单独的实例。你不需要告诉其他人你已经打算寻找最大素数,你只需要在找到时通知其他人。如果从来没有人寻找最大素数,那么它永远也不会被找到。因此,只要参与(也就是试图找到素数),即使它正在秘密进行,仍会影响结果,只要公布最后的发现(如果找到)。 


这就是中本聪设计的精妙之处,他利用了这个令人难以置信的统计学现象,即任何参与都会影响结果,即使秘密进行,即使尚未成功。 


 值得注意的是,因为 SHA 是 progress-free,每一次尝试都可以被认为是一个参与者加入其中,然后立即退出。因此可以这么理解,矿工们来了又走,每秒无数次轮回。 




参与度由统计学揭示 


这个神奇的秘密参与(secret participation)属性反过来也成立。很多网站上显示的全球算力,并非是由每个矿工在某个“矿工注册办公室”注册,并定期汇报他们的算力而来。并不存在这种事情。 


 因为对于在 10 分钟找到一个指定难度的解,所需算力是已知的,一个人平均必须尝试这么多次(截止成文之时大概 10^21)才能找到答案,无论这个人是谁,他在哪儿。 


我们不知道这些参与者是谁,他们也从来都不会说我正在参与其中,没有找到解的人(实际上他们都是)从来不会告诉其他人他们正在进行计算,他们可能在世界上任何一个地方,但是我们肯定他们必然存在。因为生活还要继续,问题(找到满足条件的哈希)始终还是要被解决。 




工作(work)是一个时钟(clock) 


关键之处在于:找到满足条件的哈希的难度,就类似于一个时钟的角色。一个宇宙(universe)时钟,因为全宇宙只有一个这样的时钟,不需要同步,任何人都能“看”到这个时钟。 


即使这个时钟不精确也没关系。重要的是,对所有人来说,它都是同一个时钟,链的状态与这个时钟的滴答(tick)无歧义地绑定到一起。 


这个时钟由遍布地球上的未知数量的参与者共同操作,参与者相互之间完全独立。 




谜题的最后一部分 


解决方案必须是块哈希(准确来说,是块头)。上面已经提到,对于 SHA 来说,输入的内容并不重要,但是如果它是真实的块,那么无论何时找到一个解,它都发生在 PoW 这个时钟的滴答处。没有早一点,没有晚一点,而是恰好在这个点。我们知道这是毫无歧义的,因为块是整个机制的一部分。 


换句话来说,如果块不是 SHA256 函数的输入,我们仍然有一个分布式时钟,但是我们无法将块绑定到这个时钟的滴答上。将块作为输入就解决了这个问题。 


值得注意的是,我们的 PoW 时钟只提供了滴答。但是我们没办法从滴答中分出顺序,于是就引入了哈希链(hash chain)。 




分布式共识 


共识(consensus)意味着意见一致(agreement)。所有参与者别无选择,只能同意“时钟已然滴答”。并且每个人都知道滴答和附加的数据。正如中本聪在邮件里面所解释的,这确实解决了拜占庭将军问题。 


在一个罕见却又常见的情况下,会出现共识分离,有两个连续的滴答与一个块有关联,这就发生了冲突。通过哪个块与下一个滴答相关联解决了这个冲突,同时将有争议的块变为“孤儿块(orphan)”。链如何继续是个概率问题(a matter of chance),这也可能间接地归因于 PoW 的时钟。 




就这样 


这就是区块链的 PoW(工作量证明)。它并不是一个为了让矿工赢得出块权的“乐透”,也不是为了将实际能源转换成一个有价值的概念,这些都偏离了本质。 


比如矿工奖励的角度来看,虽然这些奖励激励了矿工参与,但是这并不是区块链诞生的必要因素。块哈希形成一条链,但是这与工作量并没什么关系,它是从密码学上强制保证了块的顺序。哈希链使得前一个滴答“更确定”,“更加不可抵赖”,或者简单来说,更安全。 


PoW 也能使块不可更改,这是一种好的副作用,也使得隔离见证(Segregated Witness)成为可能,但是隔离见证也能通过保留签名(见证,witness)实现,所以这也是次要的。 




结论 


比特币的 PoW 只是一个分布式,去中心化的时钟。 


 如果你理解了这个解释,那么你应该能够更好地理解 PoW 与 PoS 的异同。显然,两者不具有可比性:PoS 是有关于(随机分布的)权力(authority),而 PoW 是一个时钟。 


在区块链的背景下,PoW 这个名字可能是个误用,起的并不太好。这个词来源于 Hashcash 项目,它确实用于证实工作(work)。在区块链中,它主要关于可验证的花费时间。当一个人发现满足难度的哈希时,我们知道它必然会花费一些时间。实现时间延迟的方法就是“工作”,而哈希就是这段时间的证明。 


PoW 是关于 time 而非 work 的事实也表明,可能存在一些其他的统计学问题,这些问题同样消耗时间,但却需要更少的能源。这也可能意味着比特币算力有些“过分”,因为我们在上面所描述的比特币时钟,在只有部分算力的情况下,也是可信的,这是这种激励结构推动了能源消耗。 


如果你找到了一个方法能够同步滴答,并且需要更少的工作,这是一个价值万亿美元的问题,请一定要告诉我! 


 P.S. 特别感谢 UChicago Statistics 的 Sasha Trubetskoy 对上述文字的 review 和建议。 



原文链接: https://grisha.org/blog/2018/01/23/explaining-proof-of-work/ 

作者: Gregory Trubetskoy 

翻译: liuchengxu 



转自:以太坊爱好者公众号

作者: Gregory

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