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區(qū)塊鏈去中心化世界頭頂的一朵烏云

在1900年4月27日，開爾文勛爵在英國皇家研究所做了一篇名為《在熱和光動力理論上空的十九世紀烏云》的發(fā)言，演講中開爾文聲稱：

動力學理論認為熱和光都是運動的方式，現在這一理論的優(yōu)美和明晰，正被兩朵烏云籠罩著。

——?開爾文勛爵

開爾文對這兩個問題的在意程度反映了當時物理學界的普遍憂慮，但他很有可能沒有想到的是，這兩朵烏云給物理學帶來的是一場突如其來的風暴，這場風暴顛覆了舊理論體系的框架，分別導致了二十世紀物理學的兩大理論體系：相對論和量子力學的誕生。

下圖分別是比特幣和以太坊全網算力分布圖，可以很清晰的看到排名前四的大礦池已經壟斷了遠超過51%的算力，區(qū)塊鏈所極力倡導的去中心化變成強中心化，這朵烏云是否會給區(qū)塊鏈世界帶來新的一場狂風暴雨？

圖1: 左圖是比特幣全網算力分布圖，右圖是以太坊算力分布圖

分布式系統(tǒng)原理

共識機制是區(qū)塊鏈底層基礎技術中最為重要的，可以說共識機制是區(qū)塊鏈技術底層的核心和靈魂。區(qū)塊鏈作為分布式系統(tǒng)的一個新興類型，它的共識機制演化過程是基于分布式系統(tǒng)的一些原理，現在先介紹這四大原理。

圖2: 分布式系統(tǒng)共識機制的理論基礎

FLP不可能原理

FLP 不可能原理（FLP Impossibility）由Fischer、Lynch和Patterson三位科學家于1985年發(fā)表的論文《Impossibility of Distributed Consensus with One Faulty Process》指出：在異步模型中，分布式系統(tǒng)中只要有一個進程不可用（失去響應或暫停），就可能無法達成整體的共識。（No completely asynchronous consensus protocol can tolerate even a single unannounced process death）。

以上結論被稱為FLP不可能原理。該定理被認為是分布式系統(tǒng)中重要的原理之一。該原理提出：在網絡可靠，存在節(jié)點失效（即便只有一個）的最小化異步模型系統(tǒng)中，不存在一個可以解決一致性問題的確定性算法。FLP 原理實際上說明對于允許節(jié)點失效情況下，純粹異步系統(tǒng)無法確保一致性在有限時間內完成。

CAP原理

CAP 原理最早由加州大學伯克利分校的Eric Brewer教授于 2000年7月，在ACM PODC會議上提出CAP猜想，2年后，麻省理工學院的Seth Gilbert和Nancy Lynch從理論上證明了CAP。之后，CAP理論正式成為分布式計算領域的公認定理。

分布式計算系統(tǒng)不可能同時確保一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區(qū)容忍性（Partition），設計中往往需要弱化對某個特性的保證：

數據強一致性(Consistency)：如果系統(tǒng)對一個寫操作返回成功，那么之后的讀請求都必須讀到這個新數據；如果返回失敗，那么所有讀操作都不能讀到這個數據，對調用者而言數據具有強一致性(strong consistency) ；

可用性(Availability)：所有讀寫請求在一定時間內得到響應，可終止、不會一直等待；

分區(qū)容錯性(Partition-Tolerance)：在網絡分區(qū)的情況下，被隔離的節(jié)點仍能正常對外服務；

分布式計算系統(tǒng)不可能同時確保一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區(qū)容忍性（Partition-Tolerance），設計中往往需要弱化對某個特性的保證，CAP原理對標的是經濟學中的三元悖論（Mundellian Trilemma）。

BASE理論

BASE理論是有eBay的架構師Dan Pritchett源于對大規(guī)模分布式系統(tǒng)的實踐總結，在ACM上發(fā)表文章提出BASE理論，BASE理論是對CAP理論的延伸，核心思想是即使無法做到強一致性（Strong Consistency，CAP的一致性就是強一致性），但應用可以采用適合的方式達到最終一致性（Eventual Consistency）。

BASE理論的定義

基本可用（Basically Available） ：基本可用是指分布式系統(tǒng)在出現故障的時候，允許損失部分可用性，即保證核心可用。 電商大促時，為了應對訪問量激增，部分用戶可能會被引導到降級頁面，服務層也可能只提供降級服務。這就是損失部分可用性的體現。

軟狀態(tài)（ Soft State） ：軟狀態(tài)是指允許系統(tǒng)存在中間狀態(tài)，而該中間狀態(tài)不會影響系統(tǒng)整體可用性。 分布式存儲中一般一份數據至少會有三個副本，允許不同節(jié)點間副本同步的延時就是軟狀態(tài)的體現。MySQL replication的異步復制也是一種體現。

最終一致性（ Eventual Consistency） ：最終一致性是指系統(tǒng)中的所有數據副本經過一定時間后，最終能夠達到一致的狀態(tài)。弱一致性和強一致性相反，最終一致性是弱一致性的一種特殊情況。

BASE理論的核心思想是：即使無法做到強一致性，但每個應用都可以根據自身業(yè)務特點，采用適當的方式來使系統(tǒng)達到最終一致性。

ACID原則

ACID也是一種比較出名的描述一致性的原則，通常出現在分布式數據庫領域。具體來說，ACID原則描述了分布式數據庫需要滿足的一致性需求，同時允許付出可用性的代價。

ACID特征如下：

Atomicity：每次操作是原子的，要么成功，要么不執(zhí)行；

Consistency：數據庫的狀態(tài)是一致的，無中間狀態(tài)；

Isolation：各種操作彼此之間互相不影響；

Durability：狀態(tài)的改變是持久的，不會失效。

ACID和BASE代表了兩種截然相反的設計思想。ACID是傳統(tǒng)數據庫常用的設計理念，追求強一致性模型。BASE支持的是大型分布式系統(tǒng)，犧牲掉對一致性的約束（但實現最終一致性），來換取一定的可用性。

區(qū)塊鏈共識機制

區(qū)塊鏈的底層基礎是共識算法、各類對稱非對稱加密算法、P2P分布式網絡協(xié)議和區(qū)塊結構及存儲。共識機制是在這些底層基礎技術中最為重要的，可以說共識機制是區(qū)塊鏈技術底層的核心和靈魂。共識機制很大程度上決定了整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)節(jié)點間的相互信任程度，也決定了其他使用者對于區(qū)塊鏈上數據的信任程度。

對于公有鏈來說，無論是EOS的復雜且容易形成小團體侵害散戶節(jié)點利益的DPOS算法，還是Penta的沒有實用性且低效率的DSC算法都無法將區(qū)塊鏈技術落地于真正的商業(yè)世界。

當前區(qū)塊鏈流行的各種共識算法，雖然能解決部分問題，但是都有著這樣或那樣的缺點，現在羅列出來：

表1: 各種共識算法缺點

曌鏈MIT分片動態(tài)權重共識機制

CAP理論雖然揭示了，在分布式系統(tǒng)中不可能同時確保一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區(qū)容忍性（Partition-Tolerance），我們權衡出這三者關系對于區(qū)塊鏈落地商業(yè)世界的重要性，不追求強一致性（Strong Consistency），而是根據BASE理論達到最終一致性就可以，有鑒于此曌鏈（MIT）區(qū)塊鏈采用一種新創(chuàng)的基于三個維度權重計算的共識算法：分片動態(tài)權重共識機制（Sharding Dynamic Weight Consensus， SDWC）：

節(jié)點負載；

網絡質量；

節(jié)點信用；

權重計算公式。

W_1，2，3 = w₁x₁  w₂x₂  w₃x₃;

W = 相對權重（%）

X =  歸一化后數值

表2: 權重示例表

信用數值歸一化公式

*X為數據原值

負載和網絡質量歸一化公式

*X為數據原值

節(jié)點選擇分配原則：

? 80%節(jié)點從權重分值最高節(jié)點中選擇

? 20%節(jié)點隨機從低權重的節(jié)點中選擇

? 百分比動態(tài)可調節(jié)

信用積分原則：

? 每次被選中節(jié)點按時間出塊，則增加信用

? 節(jié)點作惡信用清零

? 節(jié)點未按時間出塊，信用降低

SDWC算法的優(yōu)勢：

? 平衡全網算力即避開高負載節(jié)點，優(yōu)先讓負載低的節(jié)點來驗證和出塊

? 鼓勵新加入節(jié)點，采用更好的硬件和高速穩(wěn)定的網絡

? 選擇20%新節(jié)點是為了獎勵和鼓勵新注冊節(jié)點，從而防止老的節(jié)點壟斷鑄幣。

? 防止女巫攻擊，防止惡意節(jié)點，防止51%攻擊，防止大股東”作惡”。

在確保共識過程公平的前提下，平衡處理速度，安全，去中心化，提供一個高效，高可用性的共識機制。MIT區(qū)塊鏈之所以不采取超級節(jié)點的做法是因為，建立超級節(jié)點本身就有違區(qū)塊鏈去中心化的初衷，如果超過10個超級節(jié)點被偽冒或入侵，系統(tǒng)就徹底癱瘓或被劫持。

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