【二期三团Day3-寂寞火山】深度剖析比特币共识机制和拜占庭将军问题 ...

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比特币有三大技术支撑：非对称加密技术、P2P传输技术和哈希现金技术（共识机制）。这三个基础技术中，最容易理解的是P2P点对点传输技术，毕竟大家都是用过BT下载的人，这个都不理解的话，能对得起自己硬盘里藏的小片么？然后是非对称加密技术，这个稍微难理解一点，但是只要不涉及代码，逻辑上还是很容易讲明白的，后面我会专门讲。最难理解的，就是哈希现金，它其实主要解决共识机制的问题，典型如拜占庭将军问题。先不要被这一系列专业名词吓住，本文有信心让所有不懂技术的人从本质上理解共识机制！


三项技术中，我个人觉得，最精妙的恰恰就是最难理解的共识机制。


先从拜占庭将军问题讲起，故事大概是这样的：中世纪的拜占庭帝国，富裕强大，幅员辽阔。但是，因为国土面积大，当镇守各地的将军们想统一行动的时候，问题就来了：万一某个将军，或者将军的核心部下是叛徒怎么办？叛徒可以会造成以下严重影响：
1，把进攻说成撤退，总之就是传递相反的指令，让自己军队做出相反的动作。
2，向临近将军传递相反的指令。
3，放各种烟雾弹，让自己人和其它军队搞不清楚状况，从而贻误战机。
……


这个问题是1982年，由 Leslie Lamport 与另外两人提出的，注意看年份，这个问题肯定不是拜占庭的将军们提出的，所以这是一个科学假设，但不可否认，现实中处处都有这样的问题！这是一个非常有现实意义的科学问题，如果能解决，将会对人类社会产生重大影响。然而可惜的是，在比特币诞生之前，没有人真正意义上解答出过这道题。


在历史上，曾经有科学家做过一个最小化的沙盘推演，说只要叛徒的数量大于等于三分之一，拜占庭问题就不可解。我们假设拜占庭一共就三个将军ABC：
1，如果发出信息的A是叛徒，那不用说，另外接到信息的两个将军，直接就废了。
2，如果A发出信息，另外两个人有一个是叛徒，这个叛徒就可以告诉另外一个人，A是叛徒，别听他的。另外一个人也很有可能废了，至少迷茫了。
所以，三个人中，只要有一个是叛徒，就会导致三分之二以上的问题，这场仗必输！


这里请大家思考，为什么比特币会存在51%算力攻击的风险呢？本源就在于共识机制的底层逻辑是基于人性的，而人性不可能无懈可击，就像国家无法避免军队里一定没有叛徒。我们只能假设，只要大部分将军靠谱就行，但是至少要三分之二以上都靠谱吧，不然你这国家还有存在的意义么？而比特币更牛，说不要三分之二，我们只要51%就能保障系统正常！牛逼，霸气，有没有？


让我们继续回到拜占庭将军问题，咱们先别扯那些高大上的了，先解决一个基础的现实问题：将军之间如何传递信息呢？古代肯定只能靠写信，在这种情况下，先别说军队里有叛徒了，你这信如果半路上被敌军截获了，那还搞毛啊！所以咱们必须加密！但问题是，我加了密之后，所有人都看不懂了怎么办？那就弄一个可逆加密算法呗，这个确实不难，古代人就已经搞出来各种类似的招数了，最简单就是弄一组对照表，也就是密码本。这个密码本各方公用，而且一旦协商好，就不能随便改了，因为一旦修改，那可是一个浩大的工程，而且如果这个密码本落入敌手，或者仅仅是丢掉了，那就 only shit 了，必须立刻重新编排整个密码本，而且还要把新密码本立刻安全送到所有友军情报机构，这本身又是一项不安全的行动！可见基于密码本的原始可逆加密算法不灵活。


那么有没有一种加密算法既安全又灵活呢？其实我们可以把加密规则分成两部分，一部分可变的，一部分不可变的，不变的永记心间，可变的只是密钥，如果我们的一个密钥被人破解了，只换密钥就好，而不用更换整个“密码本”。至于不变的部分，就算被人知道了也没关系，只要密钥敌军不知道，也是枉然。


到这里是不是就完美了，并没有，还有一个问题，就是所有人如果公用一个密钥，一方面不够安全，更重要的是，信息在传递过程中，无法记录追踪。当然以前可以通过在信件上盖章和签字来做记录，但这些都不安全，毕竟签字什么的，都可以伪造，能不能用密码学解决这个问题呢？


终于，最牛逼的非对称加密技术要登场了，这个技术会给所有的将军分配一对公钥和私钥，注意和之前的差别，之前是只有一个密钥。公钥是公开给所有友军情报机构的，所有人都可以通过这个公钥确认信到底是谁发来的，而私钥只有自己知道，这两个钥匙的具体值肯定是不一样的，这就是算法难度所在了：两个配对的、不同的密钥，然后混合任何加密内容，经过同一段公共加密算法，最终出来的结果又要一样，而且绝对不能发生第三种情况发生，这算法真心没大家想的那么容易弄出来。事实上，这个算法直到1976年，才由Whitfield Diffie 与 Marty Hellman 共同发明。


通过非对称加密技术，我们又完美解决了两个问题：
1，因为每个人都是自己的密钥，进一步加强了安全性。
2，自己的密钥是公钥和私钥配对的，这样你发送了那些信息，转发了那些信息，在加密和解密的过程中，天然就会被记录。


到此终于解决了加密和信息安全与记录的问题，不容易啊，拜占庭的将军们，终于可以通过这套机制达成一致，每个人都互相发送一遍信息，只要忠诚的将军多，最终的决策就能比较靠谱。而且每个人说什么都会被记录，等到战争一旦打响，谁是叛徒，立刻就会被发现。


这已经不仅仅是简单的密码学问题了，这已经是一种共识机制了！


然而。。。这一切在现实中并没有什么卵用，刚才说得头头是道的共识机制在历史的长河中，一直都没能实现，为什么呢？
1，非对称加密算法虽然完美，但加解密过程复杂，需要大量的运算，古代如果靠人力，效率太低了，几乎不可能大规模使用。
2，这种所有的信息都要互相传一遍的共识方式，在古代完全不可想象，那是一个远程传递信息只能靠马的时代啊，这么传来传去，战机早贻误了。


好在，人类今天终于迎来了计算机和互联网时代！


计算机解决了大量复杂运算的效率问题。
互联网则解决了信息传递慢的问题。


但是，别忘了，这个共识机制，需要所有的将军们能够直接互相通讯，而不是通过某个邮件服务商中转，否则就又不安全了，于是，还有一个技术是必须的，那就是点对点传输技术，专业名词是P2P，这一概念WIKI上说1964年就有人提出，但真正成熟应该是到上世纪八九十年代了吧？这里我没有拿到确切信息，了解的人欢迎留言赐教。


至此，一切具备，只欠东风，2009年，中本聪的比特币横空出世了。


先别急，还有两个小问题需要解决：


1，前面说了，为了达成共识，需要大家互相发消息，那么问题来了，到底谁先发呢？这是一个不说都没人意识到的问题，却是一个实践过程中必然碰到的现实问题。有些人会不假思索的说，这个重要么？随便谁先发都无所谓吧？这就像女朋友问你吃啥，你回一句：“随便！”，你说你是不是作死？因为你啥问题都没有解决，还把包袱丢给别人！而且如果所有人都同时发信息，有意义么？每个人都同时收到一堆信息，也看不过来啊，还特别混乱无序，甚至造成网络拥堵。所以，我们有必要建立一个发送规则，大家按照规则来。


然而，还没完，一旦要建立规则，就涉及到一个让人头痛的问题，就是怎么保障规则公平呢？为啥是A先发，不是我先发呢，虽然差别不大，但是你让A先发，你什么意思？你是不是内心深处看不起我？虽然我嘴上不说，但是我心里记住你了，以后找机会一定怼回去。为了避免这种情况发生，这个规则必须绝对公平，这世界上到目前为止，最公平的规则，恐怕只有随机了。而在计算机时代，这个随机获得发送优先权的方式肯定要基于计算机是不？而计算机能产生随机数的唯一方式，就是芯片了，当时主要是CPU，于是比特币挖矿（用CPU随机生成哈希数字决定谁发）的概念就诞生了，首先当然需要第一个人挖创世区块，第二个人按照这个公平的规则也挖到后，就接在第一条信息后面，第三个亦然，于是一条有序、安全、又透明的信息链条出现了，它就是当今的区块链原型。


2，终于，我们用CPU产生随机数挖矿的方式解决了在公平的前提下信息的有序发送问题，但一个新问题又诞生了，CPU产生随机数是需要耗电的，而且随着要发送信息的人越来越多，这个耗电量会变得越来越大。天下没有人愿意长期做亏本的买卖，虽然我是公平的共识机制的受益者，但是如果代价太高，我终究会无法承受。所以，我们必须给这些电力消耗者提供足够的补偿，于是，中本聪做了一个天才的设计，挖矿的人，一旦挖矿成功，就可以获得比特币奖励！于是公平和挖矿动力的问题都解决了。


然而新的问题又出来了，如果这个比特币会无限制的挖出，而且竞争挖矿的人越来越多，生成的比特币也同比例越来越多，那么比特币本身不会升值，而且无限多的资源，大家只会觉得没意义，这样反而可能贬值。而且由于竞争过多造成的纯人为成本反而会提升，总体收益又会下降，有一天大家肯定又会觉得不划算，最终只能还是选择放弃这个共识机制。


怎么办呢？中本聪第二个天才设计来了，他给比特币设置了一个上限，总共就2100W枚，这样比特币在维持共识机制的同时，还有了稀缺性和保值性，不但矿工们愿意挖了，普通大众也可以收藏和流通，进一步提升币价，增加矿工的动力，一个完美的正循环从此彻底建立。


别急，最后还有一个问题，就是2100W枚挖完了，怎么办？每笔比特币转账收矿工费即可，因为如果当2100W枚都挖完了，说明比特币早就被世人普遍接受了，比特币的价格肯定也早已经飞上天，这时给交易收点矿工费，谁还会计较呢？而对于矿工，那一天到来的时候，虽然不再能直接挖到比特币，但是比特币的全球交易量肯定早已经爆表，在每笔交易中收一点点，全球加一起，那也是巨额财富了。


最终一个可信的、安全的、公平的、多方受益的、自洽运行的系统完美搭建完成！拜占庭将军问题，依托于密码学、计算机科学和互联网终于得以完美解决！


其实，为了保障大多数不懂技术的人看懂本文，我只是挑拣核心概念围绕着拜占庭将军这个具体的问题展开，有时为了保障逻辑上容易理解，忽略了很多细节，也屏蔽了一些重要的概念，尤其是加密算法、货币和金融方面的，但是没关系，毕竟本文主要是讲共识机制，不是讲数学和货币机制。


最后让我们简要梳理一下全文的逻辑脉络：
→有个拜占庭将军问题困扰了人类几百上千年，一直到现在，非区块链的人类组织中还是没彻底解决。
→为了保障将军们信息传递安全，首先需要搞定密码学。
→为了信息透明、可追踪、更安全、更灵活，将军们需要用非对称加密算法，互相发送信息，并签名。
→计算机、互联网和P2P技术，使这种加密算法得以在现实中运用，并使大规模信息传输和共享成为可能，共识机制已经可以实现。
→我们要解决信息发送规则的问题，为了最大程度保障公平，只能用扔随机数的方式，中本聪选择的是芯片挖矿。
→挖矿其实就是抢夺信息的打包和发送权力，需要消耗成本，于是设计了可以挖到比特币作为动力。
→为了长久的保持挖矿动力和系统稳定，给比特币设计了2100W枚的上限，同时加入交易费。
→一个可信的、安全的、公平的、多方受益的、自洽运行的共识系统完美搭建完成！


坚持读到这里的朋友，有没有觉得比特币的设计简直就是水到渠成，浑然天成？《人类简史》说，智人区别于普通原始人和动物的最大特点就是，智人会有想象的共同体，比如帮派、宗教、国家等等，想象共同体能够拥有至高的权力和巨大的财富，从而调动更多的人和资源完成伟大的事业，促进社会进步。然而人性是复杂的，不可靠的，历史上没有任何一个想象共同体能囊括所有人，并且经久不衰，而在基因技术爆发之前，我们又没办法彻底改变人性，那么是否有一种非人性的、公平的、可信又可靠的技术成为第一个全球想象共同体呢？比特币真的可以么？让我们拭目以待！