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近期，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)在社區(qū)中的聲音越來越大，業(yè)界已經(jīng)開始從技術(shù)角度對區(qū)塊鏈進行全方位的解讀。作為第一批區(qū)塊鏈技術(shù)的實現(xiàn)，傳統(tǒng)比特幣與以太坊在共識機制、存儲機制、智能合約機制、跨鏈通訊機制等領(lǐng)域并沒有非常嚴密的設(shè)計，從而引發(fā)了一些在數(shù)據(jù)庫與存儲領(lǐng)域比較常見的問題，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)規(guī)模無法無限增加（當前僅幾百GB就產(chǎn)生了嚴重的性能瓶頸，幾乎不可能到達上百TB規(guī)模），吞吐量極為有限，使其不可能適應(yīng)通用分布式數(shù)據(jù)存儲或通用結(jié)算體系的要求。
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作為數(shù)據(jù)庫內(nèi)核行業(yè)十幾年的老兵，筆者將會從共識、存儲、智能合約、多鏈、快速檢索、以及通用接口等幾個維度對區(qū)塊鏈技術(shù)進行闡述，并會與數(shù)據(jù)庫及大數(shù)據(jù)分布式計算技術(shù)進行橫向?qū)Ρ取?/p>
區(qū)塊鏈的本質(zhì)即分布式多活數(shù)據(jù)庫。
從產(chǎn)品功能的角度看，當前的區(qū)塊鏈產(chǎn)品與數(shù)據(jù)庫相比存在極大的差距。尤其是對于在業(yè)界存在了幾十年的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，其主要核心功能包括增刪改查，而主要結(jié)構(gòu)則包括SQL解析、日志、數(shù)據(jù)管理、以及索引管理幾大模塊。
而大數(shù)據(jù)技術(shù)興起后，業(yè)界開始使用PC服務(wù)器替代傳統(tǒng)小型機，為了避免服務(wù)器掉電導(dǎo)致的數(shù)據(jù)頁損壞，分布式數(shù)據(jù)庫或存儲普遍使用三副本對數(shù)據(jù)進行冗余保存。
盡管從功能上看，當前區(qū)塊鏈技術(shù)僅僅是數(shù)據(jù)庫的一個微小子集，但是其一系列設(shè)計機制，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的內(nèi)核理念極為相似。譬如，從其傳輸和存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上來看，區(qū)塊鏈的鏈式結(jié)構(gòu)來源于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的事務(wù)日志。任何數(shù)據(jù)庫的DBA都知道，數(shù)據(jù)庫的事務(wù)日志本質(zhì)上就是不可更改的鏈式結(jié)構(gòu)，事務(wù)中的每一條操作記錄都會有一個反向指針指向該事務(wù)中的上一條記錄。因此，區(qū)塊鏈的鏈式結(jié)構(gòu)本質(zhì)上脫胎于數(shù)據(jù)庫事務(wù)日志，同時增加了區(qū)塊之間的反向哈希值作為指針，且引入了默克爾樹結(jié)構(gòu)進行快速數(shù)據(jù)校驗。因而，我們可以安全地進行認為：區(qū)塊鏈的鏈式結(jié)構(gòu)在存儲體系中等價于數(shù)據(jù)庫的事務(wù)日志。本質(zhì)上數(shù)據(jù)庫的任何操作同樣是不可篡改的，只不過當前大部分數(shù)據(jù)庫不會對外暴露事務(wù)日志的解析工具，僅保存每一條記錄的最終狀態(tài)而已。
（圖1：數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)，黃色部分代表區(qū)塊鏈同樣包含的組建）
1.1 一致性原理對比
在分布式數(shù)據(jù)庫中，當前普遍采用PAXOS或RAFT算法進行數(shù)據(jù)多份冗余的一致性協(xié)商。一般來說，在分布式數(shù)據(jù)庫體系中，每個數(shù)據(jù)分片由至少3個互相冗余備份的節(jié)點構(gòu)成，而在正常運行時的數(shù)據(jù)庫每個分片都會存在一個主節(jié)點與兩個從節(jié)點。其中主節(jié)點負責數(shù)據(jù)的讀寫操作，從節(jié)點進行只讀操作。當主節(jié)點寫入數(shù)據(jù)時，其事務(wù)日志會被實時同步給其他從節(jié)點進行回放，以達到主從節(jié)點之間數(shù)據(jù)一致性的目標。
（圖2：數(shù)據(jù)庫主從節(jié)點同步）
那么對比區(qū)塊鏈的體系，可以認為數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的主節(jié)點即日志生成節(jié)點，其每次生成事務(wù)日志的功能，與區(qū)塊鏈中每次出塊時礦工的功能完全等價。唯一不同的是，數(shù)據(jù)庫在每次操作時對日志實時廣播到從節(jié)點中，并且在事務(wù)提交時進行一致性判斷。而區(qū)塊鏈則采用檢查點方式，每個節(jié)點接收自己的交易請求，并將請求廣播到其他節(jié)點中，而每一次出塊操作即產(chǎn)生一個檢查點，該檢查點包含的信息即出塊節(jié)點向區(qū)塊中寫入的所有記錄。這些記錄被發(fā)送到其他節(jié)點后，每個節(jié)點對數(shù)據(jù)塊中的記錄進行驗證并永久寫入自身的交易日志（即區(qū)塊文件）。
（圖3：區(qū)塊鏈節(jié)點互相對等）
但是，區(qū)塊鏈和數(shù)據(jù)庫在一致性選擇上最大的不同在于哪個節(jié)點成為檢查點發(fā)起的節(jié)點。數(shù)據(jù)庫由于采用了主從機制，主節(jié)點永遠是日志的發(fā)起節(jié)點，而從節(jié)點永遠是日志回放與驗證節(jié)點。但是區(qū)塊鏈則不同，其采用某些算法（例如PoW、PoS、DPoS等）在多個參與節(jié)點之間定期選取一個節(jié)點進行檢查點確認，這也是區(qū)塊鏈號稱自身安全的一個理由所在：在全網(wǎng)大量的節(jié)點中攻擊者無法確定下一個檢查點確認的節(jié)點是誰（當然，就算攻擊者確定了下一個出塊節(jié)點，還有一系列的數(shù)字簽名機制保障事務(wù)不被偽造和篡改）。
因此我們可以安全地認為，從檢查點節(jié)點選擇的領(lǐng)域來看，傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫確定主節(jié)點生成事務(wù)日志的機制，是區(qū)塊鏈共識機制的一種簡單實現(xiàn)。也就是說，如果區(qū)塊鏈共識機制每次都選取同一個節(jié)點作為出塊節(jié)點，其機制基本等價于分布式數(shù)據(jù)庫的主從復(fù)制原理（數(shù)據(jù)庫按照事務(wù)提交進行一致性驗證，區(qū)塊鏈不存在事務(wù)的概念，因此按照數(shù)據(jù)塊進行一致性驗證）。
（圖4：數(shù)據(jù)庫以提交回滾操作作為檢查點，區(qū)塊鏈以生成區(qū)塊作為檢查點）
1.2 共識算法
由于區(qū)塊鏈體系中并不存在某個節(jié)點永久作為檢查點確認的節(jié)點，而是每個參與節(jié)點都有機會被選舉成為該角色，因此在每個節(jié)點都能夠進行讀寫操作時，整個區(qū)塊鏈體系從功能上等價于一個不支持事務(wù)機制的多活數(shù)據(jù)庫。而具體使用哪種算法選擇出塊節(jié)點（PoW與PoS之爭）、哪些節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)塊時該如何驗證（PoS與DPoS之爭）、節(jié)點之間的數(shù)據(jù)以什么方式進行傳播（DAG與鏈式結(jié)構(gòu)之爭）、以及如何確保一條交易被大多數(shù)參與節(jié)點所接受（PBFT、Paxos、RAFT、以及各種分叉解決方案等算法之爭，Hyperledger 1.0甚至直接使用中央Kafka做排序也是醉了），則是區(qū)塊鏈共識算法需要回答的問題。不同的解決方式制約著區(qū)塊鏈的一致性、性能、吞吐量、以及可靠性。
1.2.1 挖礦
挖礦是來自于比特幣的一種說法，其本質(zhì)在于多個節(jié)點通過PoW算法選舉出一致性檢查節(jié)點。關(guān)于PoW的說明業(yè)界已有無數(shù)文章分析，這里筆者不再贅述細節(jié)。實際上，從數(shù)據(jù)管理的角度來看，PoW是一種效率極為低下的暴力機制，通過不停地循環(huán)生成隨機數(shù)并進行散列，通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)先廣播的規(guī)則（復(fù)雜度），讓每個參與的節(jié)點自證明其是否符合成為檢查點的資格。
對比分布式數(shù)據(jù)庫的Paxos或RAFT算法，每個參與節(jié)點默認自身有資格成為主節(jié)點，在原本的主節(jié)點無法連通的情況下通過最新事務(wù)號或其他原則相互投票，從而選舉出新的主節(jié)點。而由于競爭節(jié)點過多，區(qū)塊鏈作為一個擁有幾萬甚至幾十萬復(fù)制節(jié)點的多活數(shù)據(jù)庫，繼續(xù)采用Raft或Paxos算法一方面復(fù)雜度太高，另一方面無法解決拜占庭問題，因此比特幣采用PoW機制，通過大家公認的某種機制，讓每個參與節(jié)點首先自己判斷是否符合要求（即生成了隨機數(shù)后自己進行散列并驗證）。當節(jié)點自身認為符合條件后，將之前生成的隨機數(shù)以及打包好的日志（數(shù)據(jù)塊）廣播給集群中其他節(jié)點，從而大幅度減少了節(jié)點間相互投票所需的復(fù)雜度。
節(jié)點通過循環(huán)生成隨機數(shù)并自我驗證的過程，即PoW中所謂的“挖礦”階段。
因此，如果把挖礦的概念擴展，不論是PoS、PoW或DPoS算法中，節(jié)點間競爭成為檢查點的過程即挖礦過程。
1.2.2 PoW與PoS的選擇
PoW是一種極為粗暴原始，但卻又及其有效防止惡意攻擊的選舉算法。該算法與計算機內(nèi)核中多線程協(xié)作的自旋鎖有異曲同工之處，自旋鎖的原理在于通過線程自身不停循環(huán)判斷一個內(nèi)存地址狀態(tài)，直到該狀態(tài)設(shè)置為空閑后，通過CPU原子操作將其置為鎖定狀態(tài)，以此和其他線程進行互斥的機制。這種機制和PoW極為相似。
而PoS更傾向于類似Raft投票機制，通過固定時間協(xié)調(diào)所有節(jié)點參與投票，根據(jù)某種規(guī)則（例如持有代幣數(shù)量、或提供存儲空間大小等）判斷每個節(jié)點的權(quán)重，最后選取權(quán)重最高的節(jié)點作為檢查點節(jié)點。而在數(shù)據(jù)庫一致性選擇的Raft算法中，普遍會根據(jù)最新事務(wù)號作為權(quán)重，多個節(jié)點之間優(yōu)先選擇包含最新事務(wù)記錄的節(jié)點作為主節(jié)點。
因此，可以看到PoW與PoS最大的區(qū)別在于，PoW在算法復(fù)雜度足夠高的前提下，基本不需要太多的節(jié)點間互相通訊和確認，對代碼的實現(xiàn)要求極低。而PoS對于多節(jié)點間一致性驗證、防偽等要求較高，但是很大程度上可以沿用傳統(tǒng)一致性選舉的思路進行一定程度的優(yōu)化即可。
（圖5：PoW與PoS流程對比）
但是PoW的缺點與自旋鎖一樣，對于計算資源的要求極高。一個被錯誤應(yīng)用的自旋鎖可以輕易消耗掉計算機中所有的CPU資源，同樣PoW當前被人們詬病的最大問題也在于資源消耗。PoS在這方面則沒有任何問題。
1.2.3 PoS與DPoS的選擇
類似Paxos與Raft，集群內(nèi)參與的節(jié)點越多則效率越慢。一個典型的分布式數(shù)據(jù)庫，使用單副本的效率可能會是三副本的兩倍，而三副本的效率則又是七副本的兩至三倍。因此，為了滿足足夠的吞吐量，使用PoS在進行選舉時務(wù)必不能在成千上萬個節(jié)點之間進行投票選舉，而是應(yīng)當在有限的集合范圍內(nèi)進行投票驗證。這就是DPoS的核心原理。
DPoS給出一種思路，將成千上萬個PoS節(jié)點，通過某種機制（例如持有代幣的數(shù)量）選舉出若干（奇數(shù)個）節(jié)點，在這幾個節(jié)點之間進行投票選舉（在一些實現(xiàn)中甚至會在這些節(jié)點間以令牌環(huán)的方式進行輪詢，進一步減少投票開銷）出每次的檢查點（出塊）節(jié)點，而不用在網(wǎng)絡(luò)中全部節(jié)點之間進行選擇。
這種機制能夠大幅度提升選舉效率。在幾十個最多上百節(jié)點之間進行一致性投票一般來說可以在秒級完成并達到共識，因此DPoS機制可以將檢查點（事務(wù)確認時間）提升到秒級，通過減少投票節(jié)點的數(shù)量或采用令牌環(huán)機制甚至可以降低到毫秒級。
（圖6：PoS對比DPoS）
但是，DPoS的性能無法無限提升。在一個完美的軟件實現(xiàn)中，其性能與吞吐量則物理制約于節(jié)點間通訊的網(wǎng)絡(luò)帶寬。一般來說，對于公網(wǎng)環(huán)境中兩個節(jié)點之間的帶寬能夠維持在上下行均5MB/s（50兆帶寬）則相當優(yōu)秀了，大部分情況下遠遠無法達到該數(shù)值。而如果每條交易日志需要100字節(jié)，由于網(wǎng)絡(luò)即需要廣播交易也需要廣播日志，則網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗加倍，因此在兩個節(jié)點的單鏈中最大吞吐量不超過2.5萬每秒（5MB/100字節(jié)/2=25000），假設(shè)集群中包含更多節(jié)點，則最大吞吐量需要根據(jù)其使用的P2P同步機制成比例縮減。如果需要進一步提升則需要進行分鏈（類似于數(shù)據(jù)庫分片的概念），該主題將會在下面的章節(jié)詳細討論。
1.2.4 DAG與鏈式結(jié)構(gòu)的選擇
DAG與鏈式結(jié)構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別在于異步與同步通訊。在前文中已經(jīng)討論過鏈式結(jié)構(gòu)的本質(zhì)等同于數(shù)據(jù)庫事務(wù)日志，而出塊操作則為檢查點操作，那么鏈式結(jié)構(gòu)體系可以看做是定期同步檢查點的數(shù)據(jù)庫事務(wù)同步機制。
而DAG則通過將事務(wù)操作進行異步處理來增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，采用謠言傳播算法在節(jié)點間發(fā)送操作日志，并通過某種機制（IOTA每次驗證前兩條交易，并計算一個PoW代表權(quán)重）將一個權(quán)重賦給該操作。
相比起同步操作的鏈式結(jié)構(gòu)，DAG結(jié)構(gòu)與任何異步機制一樣，能夠帶來的提升在于吞吐量（真的么？后文會有描述），但是產(chǎn)生的問題則在于無法有效預(yù)測交易被確認的時間與周期。
而IOTA架構(gòu)對于DAG的實現(xiàn)機制更會導(dǎo)致幾個額外問題：
- 在對歷史交易驗證時采用隨機方式，而沒有任何先后規(guī)則，那么有可能產(chǎn)生某些交易在極端情況下沒有任何其他節(jié)點對其驗證，從而永遠不會被確認；
- 為了追蹤每一筆交易與之前交易的關(guān)系，整個DAG圖譜需要被隨時檢索和訪問。在一個較大規(guī)模的系統(tǒng)中其交易圖譜溯源會非常復(fù)雜，同時幾乎不可能被全部保存在內(nèi)存中以進行實時更新。而如果將這些數(shù)據(jù)保存在磁盤上，那么實時刷新每個Tangle的權(quán)重會造成大量隨機I/O（也許可以通過大量部署SSD解決），導(dǎo)致極大的性能問題；
- 由于采用謠言傳播的方式將每一筆交易廣播到網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)的增加（IOTA結(jié)構(gòu)中可能會有百億級別的設(shè)備節(jié)點，而非鏈式結(jié)構(gòu)中幾萬個全賬本節(jié)點），整個網(wǎng)絡(luò)中的通訊量會程指數(shù)級上升。因此，IOTA宣稱其異步機制能夠大幅度提升網(wǎng)絡(luò)流量，但是忽略了該體系需要在網(wǎng)絡(luò)中傳播的數(shù)據(jù)量遠超鏈式結(jié)構(gòu)，因此在一個具有大量節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中是否還能夠達到優(yōu)秀的傳輸速度需要仔細評估；
- IOTA宣稱每個設(shè)備節(jié)點即作為驗證節(jié)點又作為交易的發(fā)起節(jié)點，會對接入IOTA的設(shè)備硬件處理能力要求較高。一般來說，類似智能電表、高速公路線圈等設(shè)備使用LoRa等LPWAN協(xié)議進行通訊，設(shè)備本身基本不具備任何計算能力。因此，IOTA才嘗試通過軟硬件一體化的方式（號稱3進制的設(shè)備）將這些復(fù)雜邏輯寫入芯片，并與其它設(shè)備進行集成。
如今從DAG衍生出一些其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（例如哈希樹等），基本上只是從存儲方式上有一些特定的優(yōu)化，但是整體上與DAG所帶來的問題保持一致。
筆者認為，DAG的異步數(shù)據(jù)分發(fā)思路完全可以與鏈式結(jié)構(gòu)相輔相成。在一些完全可以接受部分數(shù)據(jù)丟失或最終一致性的非支付類業(yè)務(wù)中，采用受限（避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)風暴）的謠言傳播算法能夠有效提升吞吐量，但是其無法滿足類似支付結(jié)算等需要實時性與一致性較高的業(yè)務(wù)場景。
1.3 結(jié)論
在區(qū)塊鏈的共識機制中，其本質(zhì)與分布式數(shù)據(jù)庫的一致性算法存在極多的相似之處。拜占庭問題的引入僅僅從算法和選舉節(jié)點數(shù)量上對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)做出一些調(diào)整，但是并不從本質(zhì)上改變分布式系統(tǒng)一致性選舉的機制。
（圖7：區(qū)塊鏈共識機制對比）
PoW采用簡單粗暴但極為有效的方式，通過節(jié)點首先自證其資質(zhì)后才進行廣播的方式，大幅度減少了網(wǎng)絡(luò)間的通訊壓力，但與之帶來的問題則在于自證資質(zhì)的計算資源消耗極大。
PoS采用與傳統(tǒng)分布式一致性驗證類似的機制，通過代幣數(shù)量（或存儲容量等指標）作為權(quán)重依據(jù)，使用某種分布式算法選舉出每次的檢查點節(jié)點。這種機制的好處在于沒有消耗計算資源的自證資質(zhì)過程，但是帶來的問題在于每次選舉時在大量節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中對網(wǎng)絡(luò)壓力極大。
DPoS作為PoS的變形，通過縮小選舉節(jié)點的數(shù)量以減少網(wǎng)絡(luò)壓力，是一種典型的分治策略：將所有節(jié)點分為領(lǐng)導(dǎo)者與跟隨者，只有領(lǐng)導(dǎo)者之間達成共識后才會通知跟隨者。該機制能夠在不增加計算資源的前提下有效減少網(wǎng)絡(luò)壓力，在優(yōu)秀的軟件實現(xiàn)中將會具有較強的應(yīng)用價值。
DAG則采用異步機制替代鏈式檢查點的同步策略，在優(yōu)秀的軟件實現(xiàn)中如果能夠有效控制網(wǎng)絡(luò)風暴帶來的帶寬需求指數(shù)增加，其不失為一種對最終一致性場景有較好應(yīng)用前景的算法。但是DAG的局限性也極為明顯，其體系無法被利用在需要進行同步操作或一致性要求較高的操作中（例如支付結(jié)算等）。
當前題目：區(qū)塊鏈共識機制分析——論PoW，PoS，DPos和DAG的優(yōu)缺點
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