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《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》，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。

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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：

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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。

合約又稱智能合約（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，智能合約能做的事情非常多，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，例如以太坊（Ethereum）。