新手知識|區塊鏈到底在幹嘛〈下〉區塊鏈安全嗎?共識機制?智能合約如何運作? |

本文為《到底在幹嘛〈上〉用生活化的例子輕鬆學會技術的重要概念》,為專欄作者「邱駿」所著。文中,筆者將化繁為簡,試著把區塊鏈技術中的每個元素都使用生活化的例子比擬,讓區塊鏈愛好者與初學者不需用到密碼學/經濟學/資訊科學,也能領會區塊鏈技術的精髓之處,本文同步刊載於邱駿 Medium。
(傳送門:《區塊鏈到底在幹嘛〈上〉用生活化的例子輕鬆學會區塊鏈技術的重要概念》)

我們熟知的世界正在慢慢地被區塊鏈技術瓦解與重建。不論背景,有愈來愈多人想對區塊鏈技術一探究竟,或許更進一步成為從業者、貢獻者或佈道者。

延伸閱讀:來自台灣區塊鏈產業的禮物: 18 位最有影響力的從業者和KOL的「2020 年預測」

不幸的是,初學者若想學習區塊鏈技術,第一個問題可能會是高學習門檻,這是因為目前在各種主流平台上所流傳的區塊鏈知識或資源,都不免會大量使用艱澀的術語,長久以來便塑造出區塊鏈高大上的距離感,好似區塊鏈是只專屬於一小群駭客或者專業人士才能理解的技術。然而這是不準確的,事實上,區塊鏈技術中許多概念都能用一般常識理解,頂多只需要國小數學。

本文將接續上集概念,介紹涵蓋:


延伸閱讀:文組也該知道的區塊鏈技術知識 《3》用就能發幣?一文看懂代幣演進史(上篇)

共識機制:如何達成共識?

在區塊鏈技術中,大致上有兩種方式可以產生共識:抽彩(Lottery)或表決(Vote),它們各自有不同特性,每一種分散式帳本都會使用其中之一作為共識機制。

在抽彩機制中,唯有摘要小於門檻值的「合法」區塊才會被所有參與者收受。然而,區塊生產者無法預測摘要,且可驗證的摘要使區塊生產者難以作弊。因此若想生產數字小於門檻值的摘要,區塊生產者必須不斷改塊內容,例如流水號或者交易順序,直到找到摘要小於門檻值的區塊,就像抽彩一樣。只有合法的區塊才會被區塊生產者散佈給其他 EPC 參與者。

在這樣的規則下,可能會同時出現多個合法區塊。還記得區塊鏈中「鏈」的部分嗎?當收受多個低於門檻的區塊時,該選哪個區塊作為上一個區塊呢?這裡我們可以用一些簡單的規則來做抉擇:選擇合法區塊中高度(Height)最高的區塊,若高度一樣則選擇摘要數字較低的區塊。

區塊紙條的摘要就是正式區塊鏈中的區塊雜湊值。在正式的區塊鏈中,門檻值愈低,困難度(Difficulty)也愈高。區塊的選擇規則也稱為分岔選擇規則(Fork Choice Rule),使用可驗證的亂數作為共識的做法又稱為中本共識(Nakamoto Consensus)。

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有別於複雜的抽彩,表決機制相當直觀:所有參與者針對某個預先選出的領袖(Leader)的提案(Proposal),也就是區塊,進行投票。領袖是怎麼選出的?一個直覺的做法是按照假名的順序,按照 Alice / Bob / Charlie 的順序,所有參與者輪流擔任領袖。

所有參與者在收到提案後,可以選擇同意或反對這個區塊的內容,若同意的話,則將自己對提案的同意票記在紙條上,並將這個投票紙條散佈給所有其他參與者。若多數的參與者同意了提案,則所有參與者皆須認定該提案為共識。

然而,表決機制雖然直觀,卻不如抽彩具有可驗證性,參與者若想作弊則相對容易:例如,參與者可以重複投票,或者串通其他參與者一起不投票,以破壞帳本;另一方面,表決比抽彩來得有效率,因其不需要所有參與者都費功去製造可能將不被收受的區塊。

拜占庭錯誤(Byzantine Fault)特指這些不在預期內的行為,表決機制事實上也就是拜占庭容錯(Byzantine-fault-tolerant, BFT)演算法。PBFT 家族的協定是目前拜占庭容錯演算法的主流,然而其至多只能容忍不超過參與者總數一半的拜占庭錯誤。若想了解更多 PBFT 的細節,可以參考筆者日前的撰文:

https://medium.com/taipei-ethereum-meetup/intro-to-pbft-31187f255e68

女巫:如何避免帳本被單一個體掌控?

上文提到:為了保證公平的記帳權,帳本上的識別都是假名,如上文提及,Alice 跟 Bob 實際上都是由同一個參與者王小庭所控制,其他參與者不僅難以得知,而且王小庭喜歡的話,他愛用幾個假名就用幾個假名 — 掌控多個假名的王小庭就成為了「女巫」(Sybil)。

不論是採取何種共識機制,女巫的存在都會破壞分散式帳本的安全性:

在抽彩機制中,如果多數的參與者皆由女巫控制,則女巫有很大的機會可以無視規則,不需抽彩便竄改帳本。
在表決機制中,如果由女巫控制的參與者可以集體進行不在預期內的行為,例如重複投票或者不投票。

因此,抵抗女巫對於分散式帳本的安全至關重要。對此,一個直覺的思路是:讓每個假名的行為都必須付出有限的資源,例如錢跟力。因此有兩種方式可以抵抗女巫:要嘛出錢,要嘛出力。

出力:在抽彩機制中,每個合法區塊的生產都必須附有低於門檻的摘要,而摘要的計算需要參與者出力不斷地重上發條。
出錢:在表決機制中,抵押一定數量 EPC 的參與者才能獲選為領袖被生產提案,且若違反規則,參與者的押金將會被沒收。

出力即是工作證明(Proof of Work, PoW);出錢即是權益證明(Proof of Stake, PoS),抵抗女巫的機制稱為抗女巫機制(Sybil-control Mechanism)。

合約:進行條件式的交易

回顧一下本文開頭所提:區塊鏈技術可以用來打造去中心化的運算平台,它可以用以記錄任何資訊,不止餘額,例如一段合約(Contract)。合約就是指一段會依據不同條件而達成不同執行結果的語句。例如

CheckAndPay

給定 A、B 兩個假名,若 A 的餘額大於/等於 30 EPC,則 A 支付 20 EPC 給 B ,否則 A 不支付任何 EPC。

這個合約就可以被記錄在帳本中:

Alice 100 EPC
Bob 0 EPC
Charlie 0 EPC
David 0 EPC
Eva 0 EPC
CheckAndPay “給定 A、B 兩個假名,若 A 的餘額大於/等於 30 EPC,則 A 支付 20 EPC 給 B ,否則 A 不支付任何 EPC。”

之後 Alice 就可以發起像這樣的交易:

Tx 99
CheckAndPay, {[Alice], [Bob]}, ALICE

如此,若 Alice 的 EPC 餘額不足 30 EPC 則不會支付 Bob。

觸發合約的 Tx 99 ,它的執行過程比較煩瑣:執行 Tx 99 的參與者首先會從帳本中尋找 CheckAndPay 的合約內容,並從 Tx 99 中取出合約需要的輸入:A 與 B,接著參與者再解讀合約的語句,依照條件進行帳本的狀態轉換。其中,為了使參與者能解讀合約,合約需用所有參與者皆能看懂的語言書寫。

合約又稱(Smart Contract)。正式的區塊鏈使用虛擬機(Virtual Machine)來解讀與執行合約。事實上,能做的事情非常多,這使具有智能合約功能的分散式帳本得以成為去中心化的運算平台,例如(Ethereum)。

總結: 分散式帳本究竟是一個怎樣的系統?

如果以上環節皆運作順利,那麼便能成功只用紙筆便發行了專由學生使用的貨幣。最後再次強調一次:這是一個為了便於使初學者掌握核心觀念而極度簡化的例子。正式運行的區塊鏈,例如,其實際運作遠遠複雜得多。

還有一些比較進階的概念,雖然礙於篇幅未在此文章提及,但部分主題筆者曾撰文介紹:

可擴展性(Scalability):第二層方案(Layer 2)與分片(Sharding)
隱私(Privacy)與匿名(Anonymity)
共識機制的安全性(Safety)與活躍性(Liveness)

最後,如果日後朋友/家人問起「什麼是區塊鏈」時,我想你會知道如何解釋了:)

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