比特幣:當PoW共識遇上確定性：PoW共識有沒有未來？

摘要：PoW共識有沒有未來？PoW上實現確定性的挑戰是什么？

隨著區塊鏈技術的發展，特別是低延遲鏈，跨鏈等新技術的不斷探索，確定性越來越多的被討論和研究。在開始本文的討論之前，我們先理解下什么是確定性。

確定性字面意思是不可改變性，是比“去中心化”，“共識”更古老的概念。從有賬本開始，就可以探討和定義其確定性，而此確定性不面臨任何技術問題，因為那個時候的賬本都是中心化的，確定性和正確性一樣，都是信任中介意志的反映。

而只有在區塊鏈技術引入了去中心化賬本之后，共識和確定性才成為一個技術問題，我們可能面臨確定性和共識無法同時達到的情況。

不同共識算法的確定性

根據目前的研究，大家對各類不同共識算法的確定性有了評估。

比如PoW不具有絕對確定性，只具有概率確定性，BFT具有絕對確定性，CasperFFG具有絕對確定性，YeeCo團隊的Tetris共識具有絕對確定性。

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為什么不同共識算法的確定性水平不同，是什么內在特性起作用呢？

確定性的原理

共識的本質是什么？共識是想要達成一致性的人達成一致性的過程，共識算法保證了想要達成一致性的人在有通信障礙或有人從中誤導的情況下仍然可以達到一致性。

這里面有一個很好玩的點，有點文字游戲的意思，那就是“想要達成一致性的人”在某種共識機制中是作為前提條件出現的，而在某種其他共識機制中是作為共識結果出現的

舉個例子，假設要為全公司組織一次聚餐，需要就去哪吃飯達成共識，第一種做法的思路是這事是公司“說的算的人”才能決定的，把這些人選定，投票，形成共識；第二種做法的思路是，公司水有多深，咱也不知道，咱也不敢問，到底是老板說的算，還是老板的小秘說的算，還是掃地僧說的算，姑且先形成一個不成熟的共識，然后公示出來，坐等有更大權力的人出來糾正，如果公示期足夠長，就相信最終能達成一致，形成共識。

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目前兩種做法都算是達成了共識，但是他們在確定性上的表現如何呢？第一種做法的共識已經是公司“說的算的人”的決定，當時要么達成了一致，那就可以不修改了，要么就沒達不成一致，懸而未決，總之不會出現先公布一個結果又修改的情況；第二種做法的共識是不斷被糾正的，越往后被糾正的成本越高，概率越低，但理論上仍然可能被修改。

上述例子其實描述了BFT共識和PoW共識的不同，換成技術的語言說就是：BFT共識先假定一個穩定的共識范圍，在此基礎上選擇一種強一致性但是低活性的機制，強一致性可以實現絕對確定性；PoW共識不假定穩定的共識范圍，認為共識參與者可以隨時進出，在此基礎上只能采取一種高活性但是只具有最終一致性的機制，而最終一致性不能實現絕對確定性，只能實現概率確定性。

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所以，決定確定性的本質特性是共識范圍，這也符合大眾的直覺觀念，所謂共識范圍就是“誰說的算”，“誰說的算”確定，你就會相信結果不會被修改，“誰說的算”不確定，你就不會相信結果不會被修改，這也就是大家口中說的：生意要跟“說的算的人”談。

絕對確定性的必要性

因為區塊鏈上的交易往往對應鏈下世界的權屬轉移，交易可被修改對這些經濟活動的破壞是致命的，雙花攻擊實質就是利用了PoW不具有絕對確定性。

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和鏈關聯的應用在實踐中還是基于某種確定性的標準在工作，比如大家熟知的比特幣6個確認，以太坊12個確認。但這個確定性標準并不完整，大家可以回憶當發生分叉，算力戰，攻擊等情況下，錢包和交易所都會主動暫停交易，相當于這些應用評估PoW的確定性在這些特殊情況下減弱了，于是主動把n-confirm的標準調整到無窮大個確認。

跨鏈和多鏈分片也是和鏈關聯的應用的一種表現形式，只不過鏈之間互為應用，他們對確定性的要求比鏈下應用更高，體現在兩點：

區塊鏈是一套按既定程序運行的系統，并不能像鏈下應用那樣通過評估主動修改n-confirm的標準。雙花攻擊中，鏈下應用很難找到足夠大的交易物，收益不足而成本很高，雙花實際很難被采用，但是跨鏈時鏈上很容易找到足夠大的交易物，收益提升，雙花變得有利可圖。所以，一方面從支撐應用的角度，鏈應該提供負責任的確定性，而不是把評估確定性的工作推給應用，另一方面從支持跨鏈的角度，確定性是其安全性的基石。實現絕對確定性是必要的。

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絕對確定性下共識參與者的博弈

單看共識的一致性，如果共識參與者還能做到認同“誰說了算”，那么若共識結果符合自己的意愿，則皆大歡喜，若共識結果不符合自己的意愿也會選擇“服從”；如果共識參與者已經不認同“誰說了算”了，則會選擇硬分叉。

當引入了絕對確定性后，我們看一下對于強一致性共識和最終一致性共識分別意味著什么。

對于BFT這種強一致性共識，強一致性和絕對確定性是一體的，共識本身沒有重鑄鏈的情況，發生重鑄鏈都是因為被干預，如果是部分投票人通過硬分叉分裂了鏈，老的鏈上的塊的確定性仍然是得到保證的，只不過新分叉出一條鏈，這條新鏈只要有用戶，這些用戶也是認可這條新鏈上的塊的確定性的；如果是投票人集合合謀通過硬分叉重鑄鏈，之前的鏈被廢棄了，看起來依賴之前鏈的應用受到了區塊被修改的影響，實際這種影響是因為老鏈死亡，而不是因為老鏈上的區塊的確定性被破壞。

對于PoW這種最終一致性共識，鏈的可被重鑄性是為了支持不穩定的共識范圍而保留的，如果引入了絕對確定性，按前面的論述一定是額外引入了穩定的共識范圍，那為了保證一個塊的確定性，PoW的運行方式就不能僅僅是最長鏈原則，而只能是“包含被確定的塊的最長鏈”原則，即大算力即使具備重鑄鏈的能力，也要“服從”那個建立了確定性的穩定共識范圍，而如果大算力不愿意服從，則只能發起硬分叉，老的鏈上的塊的確定性仍然是得到保證的。大算力服從的意愿與“額外引入的穩定的共識范圍”的權威性有關，如果不夠權威，則大算力不服從的可能性就很大，應用是跟著確定性的共識范圍走還是跟著大算力走就成了一個很復雜的情況了。

通過上訴的場景分析，我們可以理解到絕對確定性是不收斂的，是一致性的兩個極端，一個極端是達成一致且不修改，一個極端是達不成一致就分裂成兩個都不修改的部分，應用要在兩個部分中做出選擇，選擇哪部分就認可哪部分的確定性。

既然有兩個極端情況，我們設計確定性機制的時候，就要盡量讓博弈結果能夠均衡到不分裂的那種結果，后面會討論PoW共識中確定性的設計。

總結來看，從應用的視角，絕對確定性的價值在于把區塊可被改變的風險轉化成了區塊鏈分叉的風險，這種轉變反過來又影響共識參與人的博弈行為，如果這種影響又進一步降低了分叉的可能性，則是一個成功的確定性機制，對應用來說是非常有價值的。

PoW共識中的確定性設計

經典的PoW共識堅持不穩定的共識范圍這一設定，堅持最長鏈原則，保留了大算力進來重鑄鏈而達到新的一致性的可能，如果我們仍然堅持這些，理論上是無法建立絕對確定性的，我們的設計上應該選擇合理的突破這些限制。

PoW的絕對確定性機制應該包含下列要點：

穩定共識范圍的建立如前文所述，絕對最終確定性的本質要求是需要一個穩定共識范圍，那如何引入，是直接改造PoW里那個不穩定共識范圍，合二為一，還是額外引入一個新的，二者并列運行？穩定共識范圍對PoW的去中心化特性的影響有多大，會不會太削弱算力的權力，從而讓這種PoW實際退化成一個投票機制？確定性建立的時機我們是要和一致性同時建立，還是可以分開？如果分開，確定性要延遲多久？理論上延遲要越小，就越需要那個建立一致性的不穩定共識范圍服從于那個建立確定性的穩定共識范圍，如何權衡？穩定性共識范圍如何做到激勵相容穩定性共識范圍是某種機制選出來的，比如Staking，如果說對確定性進行投票決定了鏈的走向的話，投票人可以選擇兩邊都投而沒有任何損失，這就是無利害攻擊，如何通過激勵機制避免這種問題？失敗治理機制確定性的建立，是通過犧牲活性換取了強一致性，那么就一定會遇到確定性的共識達不成的情況，這種情況好處是正好對外體現出了負責任的一面，達不成確定性，被確定的塊的高度就不再增長了，鏈下活動也可以據此暫停，壞處是需要一套治理機制解決共識失敗的情況。對多鏈分片的支持鏈外應用需要安全的獲取的確定性信息，常規的方式是運行全節點，同步確定性共識結果并做驗證，對于多鏈分片這種場景，每個分片一般是運行當前分片的全節點，運行其他所有分片的輕節點，這就涉及到一個問題，能否實現一個輕節點能安全的同步確定性共識結果，這是實現多鏈分片的一個重要問題。另外，如果一個分片的鏈發生了分叉，如何讓其他分片統一識別哪個是原有鏈，哪個是分叉鏈，并保證統一只跟其中一個鏈交互。YeeCo的CRFG提出了一套在PoW共識上建立絕對確定性的方案，后續的文章會做出詳細介紹。

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