在2002年，Lynch和Gilbert發表的論文中，提出了CAP理論。CAP理論證明了，在一個分布式系統中，最多只能同時滿足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區容錯性（Partition tolerance）這三項中的兩項。

區塊鏈作為典型的分布式系統，FLP和CAP同樣適用于區塊鏈。本文將基于FLP理論和CAP理論，分析一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區容錯性（Partition tolerance）與區塊鏈不可能三角間的邏輯關系，從而解釋為什么區塊鏈不可能三角不可突破。

1.FLP理論概要

1985年4月，Fischer，Lynch和Patterson證明的FLP理論，是最重要的分布式系統理論之一，他們也憑借論證FLP理論的論文，獲得了分布式計算中最具影響力的Dijkstra論文獎。

FLP理論證明了，在異步通信系統中，存在節點失效（即便只有一個），不存在一個可以解決一致性問題的確定性算法。

在同步的系統中，達成共識是可以被解決的。因為在同步系統中，當有進程出現故障，或者響應超時，我們可以認定它已經崩潰。

在異步的系統中，當一個進程出現故障，或者響應丟失時，是無法檢測到的。在這樣的條件下，如果其中有任意一個進程出現問題，沒有任何一個分布式算法，可以讓所有的非故障進程，達成一致性共識。

因為有FLP不可能性的限制，大部分區塊鏈項目的共識算法都把大部分節點是誠實的和滿足一定的同步性作為前提。POW認為51% 的節點是誠實的，并且有一定的同步性。POS和PBFT也認為大部分節點（66%）是誠實的。

2. CAP理論概要

在2000年的分布式計算原則研討會（PODC）上，計算機科學家埃里克。布魯爾針對分布式計算系統的一致性（Consistency）、可用性（Availability）、分區容錯性（Partition-tolerant）提出了猜想。在2002年，他的猜想得到了來自麻省理工學院的兩位教授Nancy Lynch 和 Seth Gilbert的證明，并被稱為CAP定理。

CAP定理證明了：當網絡存在分區時，提供可靠的原子一致性數據是不可能的，但是想要實現一致性、可用性、分區容錯性，三個屬性中的兩個是可行的。在異步通信系統中，當沒有鎖提供時，如果出現消息丟失，即使允許過時的數據返回，提供一致性數據也是不可能的。在同步通信系統中，可以在一致性和可用性間取得一定的平衡。

2.1.一致性（Consistency）

CAP理論的論證中，把一致性定義限定在原子數據對象上，這和其他大多數正式定義一致性服務的方法相同。滿足一致性條件的系統，對所有操作都有統一記錄，這些操作記錄看起來像是一個單獨的實例完成的。這要求分布式系統的所有請求必須進行同步，然后才能執行操作。最終呈現的結果，像是同一個節點在同一時間響應，然后執行的一樣。

這是提供給用戶理解的，最簡單的一致性保障模型，也是給設計分布式客戶端應用的人理解的最簡單的模型。

2.2.可用性（Availability）

為了能讓分布式系統持續可用，每個請求會被發送給一個系統中的正常節點，并收到響應。這是任何分布式服務使用的算法必須要滿足的。

CAP理論的論證中，將可用性定義為兩種：

· 弱可用性：在終止之前，算法運行的多久是沒有邊界的，因此允許沒有邊界的計算。

· 強可用性：當服務網絡發生錯誤時，每個請求也必須被響應。

在弱可用性條件下，系統對響應時間可以不做保證，但是必須做出響應，當系統出現錯誤時，并不保證對請求做出響應。而在強可用性條件下，即使系統出現錯誤，請求也必須得到響應。

2.3.分區容錯性（Partition-tolerant）

CAP理論的論證中，分區指的是，網絡中允許丟失從一個節點發送到另一個節點的任意數量的消息。這意味著當網絡中出現分區時，從一個分區中的節點發送給另外一個分區的節點的消息將會全部丟失。

分區容錯指的是，在出現分區時，系統依然能夠滿足以上定義中的一致性和可用性。原子性要求意味著每一個響應將會是原子性的，盡管任意作為算法的一部分的消息可能不會被傳遞。可用性要求意味著，每個節點收到的客戶端請求必須被響應，盡管任意的消息都可能丟失。

3.用CAP理論來解鎖區塊鏈不可能三角為什么不可突破

在區塊鏈領域中，安全性、可擴展性、去中心化，三者被稱作區塊鏈的“不可能三角”，意思是說，在同一個區塊鏈系統中，想要同時做到三者，并且都達到足夠高的要求，是不可能做到的。

我們的基本論證思路是，CAP理論在分布式系統中成立，區塊鏈屬于分布式系統，區塊鏈必然遵守CAP理論，只要能證明CAP理論中的一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區容錯性（Partition tolerance），與區塊鏈的不可能三角存在相應的邏輯關系，即可證明區塊鏈不可能三角不可突破。

3.1.一致性與安全性

在CAP理論的證明過程中，證明了在異步網絡模型中，實現一個讀/寫數據對象同時具備可用性和一致性是不可能的。我們將該結論和證明過程，對應到區塊鏈系統中。

在CAP理論限定的網絡環境中，我們假設一個區塊鏈系統中，存在A和B兩個節點，其中A和B同時記錄了一個地址H的加密貨幣余額為X1，此時A和B出現了分區。

當用戶在A節點所在的分區發起一筆交易時，地址H中的余額將會發生變化，成為X2。當用戶在B節點所在的分區發起一次余額查詢操作時，地址H中的余額依然是X1。由此我們說區塊鏈系統中，出現了賬本不一致的情況。

當區塊鏈系統中出現不一致狀態時，我們認定這樣的區塊鏈系統是不安全的。在這樣的定義下，一致性是區塊鏈系統安全的基本前提。或者說區塊鏈的安全性是比分布式系統的一致性更加嚴格的需求。安全性》一致性。

3.2.可用性與可擴展性

在CAP理論的可用性定義中，分為弱可用性和強可用性，但是這兩種可用性都要求，系統可以對所有正常請求做出響應。從技術的角度來講，即是可以實現正常的可讀可寫。

在區塊鏈系統中，可擴展性指的是，每秒可以處理的交易量。從技術的角度來講，高可擴展性即是實現每秒鐘高頻次的可讀可寫操作。

從邏輯上，我們可以看出，可用性是比可擴展性更基礎的網絡要求，不能實現可用性的區塊鏈系統，是不能實現可擴展性的，即是可用性是可擴展性的前提。或者說區塊鏈的可擴展性是比分布式系統的可用性更加嚴格。可擴展性》可用性。

3.3.分區容錯性與去中心化

在CAP理論中，分區被認為是分布式系統必然存在的。事實也的確如此，在真實分布式環境中，不可能保證系統中的每個節點，都不會出現任何故障。

去中心化作為區塊鏈的基本特征，意味著區塊鏈系統必然是分布式的，也就是說去中心化必定導致發生分區的可能，由此也意味著分區容錯性是實現去中心化的前提。

3.4.現有共識算法對CAP的平衡

在CAP理論中，分區被認為是分布式系統必然存在的，所以討論沒有分區情況的分布式系統是沒有意義的。區塊鏈作為典型的分布式系統，其不同的共識算法在滿足分區的前提下，對系統的一致性（Consistency）和可用性（Availability）做出了一定的平衡。

Tendermint： Tendermint是POS類型的共識算法，主要包括NewHeight -》 Propose -》Prevote -》 Precommit -》 Commit五個階段。其中Propose-》 Prevote -》 Precommit屬于共識階段，是算法的核心，被稱作一個Round。在進行區塊的提交確認時，一個區塊可能需要多個Round。在多個Round中，區塊的高度并不會增加，只是向系統提交空塊，并且一個區塊一旦被確認，是不可能被修改的。所以Tendermint理論上有可能被卡住，區塊高度永遠不會增加。 這意味著Tendermint在出現分區時，更加側重于一致性（Consistency）。

Casper FFG： Casper FFG是POS類型的共識算法。在Casper FFG的設計中， 優先考慮一致性，因為它不允許在沒有絕大多數驗證者同意的情況下完成checkpoint，這樣區塊也就不會達到最終的確認狀態。

Algorand： Algorand是POS類型的共識算法。Algorand與Tendermint的設計中有類似的地方，當出現一致性和可用性沖突時，系統會更傾向于產生空塊，不會產生真正意義的區塊。所以Algorand更優先考慮一致性。

Dfinity： Dfinity是POS類型的共識算法。當網絡出現分區時，它會自動使隨機信標暫停，不允許網絡中的任何分區繼續。所以Dfinity更優先考慮一致性。

POW：當使用POW的網絡出現分區時，所有的分區都可以正常的進行出塊，等到網絡恢復，分區結束時，會遵循最長鏈原則，不同分區的鏈將會進行合并，最終成為一條鏈。因此POW優先考慮可用性。

POC:POC的全稱是Proof of Credit ，是全球開源社區項目NULS，創新使用的共識算法。當使用POC的網絡出現分區時，所有分區都可以正常進行出塊。等到網絡恢復時，與POW類似，將會遵循最長鏈原則，進行區塊鏈的合并。因此NULS創新使用的POC優先考慮的是可用性。

注：A《C代表該共識算法更優先考慮Consistency；

C《A代表該共識算法更優先考慮Availability；

4.結論

通過以上對一致性（Consistency）與安全性、可用性（Availability）與可擴展性、分區容錯性（Partition-tolerant）與去中心化的邏輯關系推導，我們可以得出以下結論：

· 一致性（Consistency）是安全性的必要條件

· 可用性（Availability）是可擴展性的必要條件

· 分區容錯性是去中心化的必要條件

通過CAP理論可以知道一致性、可用性、分區容錯性是不能同時滿足的，所以我們可以得出：在CAP理論限定的條件下，安全性、可擴展性、去中心化不能同時滿足，即是區塊鏈的不可能三角不可突破。