1、POW & POS,傻傻分不清楚的共識機制

什么是共識機制？

我在開更的第一篇文章，就簡單講解了數(shù)字貨幣世界的16個最高頻名詞，其中一個就是共識機制，還記得嗎？

為什么要有共識機制呢？

這就必須要解釋一下在分布式系統(tǒng)中不得不了解的“拜占庭將軍問題”了。

拜占庭將軍問題（The Byzantine Generals Problem）可以總結(jié)為一句話：

在古代，11位忠誠的、不同位置的將軍，如何排除叛徒的影響，對進攻或撤退達成一致。

當然，拜占庭將軍問題并不是如今才提出的，我們大中華在春秋戰(zhàn)國時期就發(fā)明了“虎符”這個神奇的方式來保障命令的正確執(zhí)行。

在分布系數(shù)系統(tǒng)中，各個節(jié)點就是“拜占庭將軍”，算法執(zhí)行中的任意一個錯誤就是“叛徒”。

為了盡可能地排除錯誤、快速達成一致，來讓系統(tǒng)有效地、正確地運行，便應(yīng)運而生了各種“共識機制”。

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下面，我們就來一起學習數(shù)字貨幣世界中常見的幾種共識機制：

PoW，工作量證明 Proof of Work

PoW是比特幣所采用的共識機制，最早是由Adam Back為了解決垃圾郵件的問題而開發(fā)的一個“哈?，F(xiàn)金Hashcash”程序。

比特幣采用的是SHA256的單向函數(shù)，其具體的工作原理實在太專業(yè)，我們只需要理解到“SHA256的結(jié)果很容易驗證，但是要將其計算出來，需要不斷嘗試運算，直到匹配到某個隨機數(shù)；技術(shù)上而言，任何新增區(qū)塊都需要經(jīng)過232394億運算才能得到”的程度，感興趣的小伙伴可以搜索SHA256去深入學習。

因此，只要礦工出示運算結(jié)果，那通過PoW，全網(wǎng)節(jié)點就認可了他所付出的成本，承認新的區(qū)塊獎勵屬于他。

如此大量的運算相當浪費資源，實際上并沒有任何科學或?qū)嶋H用途，只是為了實踐工作量證明機制、阻止攻擊者偽裝成節(jié)點來控制網(wǎng)絡(luò)。

雖然在2009年時為了構(gòu)建這種去中心化的、允許所有人可以免費參與的全球貨幣網(wǎng)絡(luò)，沒有更好的選擇；但是發(fā)展到如今，已經(jīng)有了其他不需要大量浪費算力的證明機制，比如我們下面就要提到的，PoS權(quán)益證明。

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PoS，權(quán)益證明 Proof of Stake

主要思想是：節(jié)點記賬權(quán)的獲得難度與節(jié)點持有的權(quán)益成反比，也就是說，一個節(jié)點擁有的幣越多、時間越久，越容易獲取記賬權(quán)，也就越容易獲取區(qū)塊獎勵。

實際上，最初的PoS是PoW的一種升級，根據(jù)每個節(jié)點的幣齡，來等比例地降低挖礦難度，從而加快找到隨機數(shù)的速度。

什么是幣齡呢？

幣齡=數(shù)量*擁有天數(shù)。

由于區(qū)塊鏈中的每筆交易記錄都會被標記時間戳，這個時間戳就可以作為幣齡的證明，因此幣齡也不可能被輕易偽造。

比如A從B那里收到10個幣，并且持有了90天，那么，A就擁有了900的幣齡；如果A賣了這10個幣，這900幣齡就被消耗了；

后來，為了徹底擺脫PoW這種依靠算力的共識機制，PoS引入了“利息”的概念；年利率是在PoS機制最初確認時就設(shè)定的，一般不會變化。

利息=（幣齡*年利率）/365 ，如果利率是1%，在上個例子中，A就可以得到0.02466個幣的利息。

如此一來，PoS區(qū)塊鏈的作用過程就可以這樣描述：

在初期，通過PoW機制，產(chǎn)生創(chuàng)世幣；

在創(chuàng)世幣達到一定規(guī)模時，PoS機制開始作用，交易時消耗幣齡、獲得產(chǎn)生區(qū)塊的優(yōu)先權(quán)，并獲取利息，同時PoW機制由于消耗太多資源、浪費算力而逐漸淡出；

最終系統(tǒng)中僅剩PoS來維持正常運作。

目前大家所熟悉的以太坊，主要還是采用PoW的機制，不過正在轉(zhuǎn)向PoS。

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大家了解了PoW和PoS，在遇到其他共識機制的時候，相信也會比較快得就能理解。

比如：股份授權(quán)證明DPOS，類似于董事會投票；燃燒證明POB；沉淀證明POD；能力證明POC；消逝時間證明PODT，等等。

就不在這里為大家一一展開了，感興趣的同學可以百度或知乎一下~

2、什么是區(qū)塊鏈的共識機制?

區(qū)塊鏈系統(tǒng)是需要在沒有三方權(quán)威機構(gòu)支持之下進行，共識機制能更好的保證區(qū)塊鏈在各個分布場景下的一致性。

目前大致分為PoW（工作量證明），PoS（權(quán)益證明），DPoS（股份授權(quán)證明）等幾種算法。哈哈，別問我怎么知道，也是盈富財經(jīng)學院的人告訴我的。

3、區(qū)塊鏈幾大共識機制及優(yōu)缺點

首先，沒有一種共識機制是完美無缺的，各共識機制都有其優(yōu)缺點，有些共識機制是為解決一些特定的問題而生。
1.pow( Proof of Work）工作量證明
一句話介紹：干的越多，收的越多。
依賴機器進行數(shù)學運算來獲取記賬權(quán)，資源消耗相比其他共識機制高、可監(jiān)管性弱，同時每次達成共識需要全網(wǎng)共同參與運算，性能效率比較低，容錯性方面允許全網(wǎng)50%節(jié)點出錯。
優(yōu)點：
1)算法簡單，容易實現(xiàn)；
2)節(jié)點間無需交換額外的信息即可達成共識；
3)破壞系統(tǒng)需要投入極大的成本；
缺點：
1)浪費能源；
2)區(qū)塊的確認時間難以縮短；
3)新的區(qū)塊鏈必須找到一種不同的散列算法，否則就會面臨比特幣的算力攻擊；
4)容易產(chǎn)生分叉，需要等待多個確認；
5)永遠沒有最終性，需要檢查點機制來彌補最終性；
2.POS Proof of Stake，權(quán)益證明
一句話介紹：持有越多，獲得越多。
主要思想是節(jié)點記賬權(quán)的獲得難度與節(jié)點持有的權(quán)益成反比，相對于PoW，一定程度減少了數(shù)學運算帶來的資源消耗，性能也得到了相應(yīng)的提升，但依然是基于哈希運算競爭獲取記賬權(quán)的方式，可監(jiān)管性弱。該共識機制容錯性和PoW相同。它是Pow的一種升級共識機制，根據(jù)每個節(jié)點所占代幣的比例和時間，等比例的降低挖礦難度，從而加快找隨機數(shù)的速度
優(yōu)點：在一定程度上縮短了共識達成的時間；不再需要大量消耗能源挖礦。
缺點：還是需要挖礦，本質(zhì)上沒有解決商業(yè)應(yīng)用的痛點；所有的確認都只是一個概率上的表達，而不是一個確定性的事情，理論上有可能存在其他攻擊影響。例如，以太坊的DAO攻擊事件造成以太坊硬分叉，而ETC由此事件出現(xiàn)，事實上證明了此次硬分叉的失敗。
DPOS與POS原理相同，只是選了一些“人大代表”。
BitShares社區(qū)首先提出了DPoS機制。
與PoS的主要區(qū)別在于節(jié)點選舉若干代理人，由代理人驗證和記賬。其合規(guī)監(jiān)管、性能、資源消耗和容錯性與PoS相似。類似于董事會投票，持幣者投出一定數(shù)量的節(jié)點，代理他們進行驗證和記賬。
DPoS的工作原理為：
去中心化表示每個股東按其持股比例擁有影響力，51%股東投票的結(jié)果將是不可逆且有約束力的。其挑戰(zhàn)是通過及時而高效的方法達到51%批準。為達到這個目標，每個股東可以將其投票權(quán)授予一名代表。獲票數(shù)最多的前100位代表按既定時間表輪流產(chǎn)生區(qū)塊。每名代表分配到一個時間段來生產(chǎn)區(qū)塊。所有的代表將收到等同于一個平均水平的區(qū)塊所含交易費的10%作為報酬。如果一個平均水平的區(qū)塊含有100股作為交易費，一名代表將獲得1股作為報酬。
網(wǎng)絡(luò)延遲有可能使某些代表沒能及時廣播他們的區(qū)塊，而這將導致區(qū)塊鏈分叉。然而，這不太可能發(fā)生，因為制造區(qū)塊的代表可以與制造前后區(qū)塊的代表建立直接連接。建立這種與你之后的代表(也許也包括其后的那名代表)的直接連接是為了確保你能得到報酬。
該模式可以每30秒產(chǎn)生一個新區(qū)塊，并且在正常的網(wǎng)絡(luò)條件下區(qū)塊鏈分叉的可能性極其小，即使發(fā)生也可以在幾分鐘內(nèi)得到解決。
成為代表：
成為一名代表，你必須在網(wǎng)絡(luò)上注冊你的公鑰，然后分配到一個32位的特有標識符。然后該標識符會被每筆交易數(shù)據(jù)的“頭部”引用。
授權(quán)選票：
每個錢包有一個參數(shù)設(shè)置窗口，在該窗口里用戶可以選擇一個或更多的代表，并將其分級。一經(jīng)設(shè)定，用戶所做的每筆交易將把選票從“輸入代表”轉(zhuǎn)移至“輸出代表”。一般情況下，用戶不會創(chuàng)建特別以投票為目的的交易，因為那將耗費他們一筆交易費。但在緊急情況下，某些用戶可能覺得通過支付費用這一更積極的方式來改變他們的投票是值得的。
保持代表誠實：
每個錢包將顯示一個狀態(tài)指示器，讓用戶知道他們的代表表現(xiàn)如何。如果他們錯過了太多的區(qū)塊，那么系統(tǒng)將會推薦用戶去換一個新的代表。如果任何代表被發(fā)現(xiàn)簽發(fā)了一個無效的區(qū)塊，那么所有標準錢包將在每個錢包進行更多交易前要求選出一個新代表。
抵抗攻擊：
在抵抗攻擊上，因為前100名代表所獲得的權(quán)力權(quán)是相同的，每名代表都有一份相等的投票權(quán)。因此，無法通過獲得超過1%的選票而將權(quán)力集中到一個單一代表上。因為只有100名代表，可以想象一個攻擊者對每名輪到生產(chǎn)區(qū)塊的代表依次進行拒絕服務(wù)攻擊。幸運的是，由于事實上每名代表的標識是其公鑰而非IP地址，這種特定攻擊的威脅很容易被減輕。這將使確定DDOS攻擊目標更為困難。而代表之間的潛在直接連接，將使妨礙他們生產(chǎn)區(qū)塊變得更為困難。
優(yōu)點：大幅縮小參與驗證和記賬節(jié)點的數(shù)量，可以達到秒級的共識驗證。
缺點：整個共識機制還是依賴于代幣，很多商業(yè)應(yīng)用是不需要代幣存在的。
3.PBFT ：Practical Byzantine Fault Tolerance，實用拜占庭容錯
介紹：在保證活性和安全性（liveness & safety）的前提下提供了(n-1)/3的容錯性。
在分布式計算上，不同的計算機透過訊息交換，嘗試達成共識；但有時候，系統(tǒng)上協(xié)調(diào)計算機（Coordinator / Commander）或成員計算機 （Member /Lieutanent）可能因系統(tǒng)錯誤并交換錯的訊息，導致影響最終的系統(tǒng)一致性。
拜占庭將軍問題就根據(jù)錯誤計算機的數(shù)量，尋找可能的解決辦法，這無法找到一個絕對的答案，但只可以用來驗證一個機制的有效程度。
而拜占庭問題的可能解決方法為：
在 N ≥ 3F + 1 的情況下一致性是可能解決。其中，N為計算機總數(shù)，F(xiàn)為有問題計算機總數(shù)。信息在計算機間互相交換后，各計算機列出所有得到的信息，以大多數(shù)的結(jié)果作為解決辦法。
1）系統(tǒng)運轉(zhuǎn)可以脫離幣的存在，pbft算法共識各節(jié)點由業(yè)務(wù)的參與方或者監(jiān)管方組成，安全性與穩(wěn)定性由業(yè)務(wù)相關(guān)方保證。
2）共識的時延大約在2~5秒鐘，基本達到商用實時處理的要求。
3）共識效率高，可滿足高頻交易量的需求。
缺點：
1)當有1/3或以上記賬人停止工作后，系統(tǒng)將無法提供服務(wù)；
2)當有1/3或以上記賬人聯(lián)合作惡，且其它所有的記賬人被恰好分割為兩個網(wǎng)絡(luò)孤島時，惡意記賬人可以使系統(tǒng)出現(xiàn)分叉，但是會留下密碼學證據(jù)
下面說兩個國產(chǎn)的吧~
4.dBFT： delegated BFT 授權(quán)拜占庭容錯算法
介紹：小蟻采用的dBFT機制，是由權(quán)益來選出記賬人，然后記賬人之間通過拜占庭容錯算法來達成共識。
此算法在PBFT基礎(chǔ)上進行了以下改進：
將C/S架構(gòu)的請求響應(yīng)模式，改進為適合P2P網(wǎng)絡(luò)的對等節(jié)點模式；
將靜態(tài)的共識參與節(jié)點改進為可動態(tài)進入、退出的動態(tài)共識參與節(jié)點；
為共識參與節(jié)點的產(chǎn)生設(shè)計了一套基于持有權(quán)益比例的投票機制，通過投票決定共識參與節(jié)點（記賬節(jié)點）；
在區(qū)塊鏈中引入數(shù)字證書，解決了投票中對記賬節(jié)點真實身份的認證問題。
優(yōu)點：
1)專業(yè)化的記賬人；
2)可以容忍任何類型的錯誤；
3)記賬由多人協(xié)同完成，每一個區(qū)塊都有最終性，不會分叉；
4)算法的可靠性有嚴格的數(shù)學證明；
缺點：
1)當有1/3或以上記賬人停止工作后，系統(tǒng)將無法提供服務(wù)；
2)當有1/3或以上記賬人聯(lián)合作惡，且其它所有的記賬人被恰好分割為兩個網(wǎng)絡(luò)孤島時，惡意記賬人可以使系統(tǒng)出現(xiàn)分叉，但是會留下密碼學證據(jù)；
以上總結(jié)來說，dBFT機制最核心的一點，就是最大限度地確保系統(tǒng)的最終性，使區(qū)塊鏈能夠適用于真正的金融應(yīng)用場景。
5.POOL驗證池
基于傳統(tǒng)的分布式一致性技術(shù)，加上數(shù)據(jù)驗證機制。
優(yōu)點：不需要代幣也可以工作，在成熟的分布式一致性算法（Pasox、Raft）基礎(chǔ)上，實現(xiàn)秒級共識驗證。
缺點：去中心化程度不如bictoin；更適合多方參與的多中心商業(yè)模式。

4、號稱“區(qū)塊鏈的靈魂”的共識機制是什么?

我們知道區(qū)塊鏈是去中心化分布式記賬技術(shù)，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)當中，沒有一個像銀行一樣的中心化記賬機構(gòu)，如何保證每一筆交易在所有記賬節(jié)點上的一致性呢？共識機制解決的就是這個問題，因此也可以說共識機制是區(qū)塊鏈的靈魂。

目前比較常見的共識機制有：工作量證明 PoW（Proof of Work）、權(quán)益證明（Proof of Stake）以及委托權(quán)益證明（Delegated Proof of Stake）：

 01 

PoW（Proof-of-Work）

工作量證明機制

POW的全稱為Proof of Work,翻譯過來即“工作證明”或者“工作量證明”。挖礦獲得多少貨幣獎勵，取決于挖礦貢獻的有效工作，也就是說礦機的性能越好、挖礦的時間越長，所獲得的貨幣獎勵就越多。

BTC就是POW機制下最成功的加密貨幣。POW機制雖然已經(jīng)成功證明了其長期穩(wěn)定和相對公平，但在現(xiàn)有框架下，采用POW的“挖礦”形式，將消耗大量的能源。其消耗的能源只是不停的去做SHA256的運算來保證工作量公平，并沒有其他的存在意義。而目前BTC所能達到的交易效率為約5TPS（5筆/秒），以太坊目前受到單區(qū)塊GAS總額的上限，所能達到的交易頻率大約是25TPS，與平均千次每秒、峰值能達到萬次每秒處理效率的VISA和MASTERCARD相差甚遠。

 02 

PoS（Proof-of-Stake）

權(quán)益證明機制

POS 即權(quán)益證明或者股權(quán)證明，全稱為 Proof of Stake。權(quán)益證明模式就是根據(jù)所持有貨幣的量和時間，來發(fā)利息的的一個模式。

POS機制，相比于POW，POS機制節(jié)省了能源，引入了“幣齡”這個概念來參與隨機運算。POS機制能夠讓更多的持幣人參與到記賬這個工作中去，而不需要額外購買設(shè)備（礦機、顯卡等）。每個單位代幣的運算能力與其持有的時間長成正相關(guān)，即持有人持有的代幣數(shù)量越多、時間越長，其所能簽署、生產(chǎn)下一個區(qū)塊的概率越大。一旦其簽署了下一個區(qū)塊，持幣人持有的“幣齡”即清零，重新進入新的循環(huán)。

在POS機制下，因為區(qū)塊的簽署人由隨機產(chǎn)生，則一些持幣人會長期、大額持有代幣以獲得更大概率地產(chǎn)生區(qū)塊，盡可能多的去清零他的“幣天”。因此整個網(wǎng)絡(luò)中的流通代幣會減少，從而不利于代幣在鏈上的流通，價格也更易受到波動。由于可能會存在少量大戶持有整個網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)代幣的情況，整個網(wǎng)絡(luò)有可能會隨著運行時間的增長而越來越趨向于中心化。相對于PoW而言，PoS機制下作惡的成本很低，因此對于分叉或是雙重支付的攻擊，需要更多的機制來保證共識。穩(wěn)定情況下，每秒大約能產(chǎn)生12筆交易，但因為網(wǎng)絡(luò)延遲及共識問題，需要約60秒才能完整廣播共識區(qū)塊。長期來看，生成區(qū)塊（即清零“幣齡”）的速度遠低于網(wǎng)絡(luò)傳播和廣播的速度，因此在PoS機制下需要對生成區(qū)塊進行“限速”，來保證主網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

 03 

DPoS

委托權(quán)益證明機制

DPOS即授權(quán)股權(quán)證明（delegated proof of stake）。

DPoS機制要求在產(chǎn)生下一個區(qū)塊之前，必須驗證上一個區(qū)塊已經(jīng)被受信任節(jié)點所簽署。相比于PoS的“全民挖礦”，DPoS則是利用類似“代表大會”的制度來直接選取可信任節(jié)點，由這些可信任節(jié)點（即見證人）來代替其他持幣人行使權(quán)力，見證人節(jié)點要求長期在線，從而解決了因為PoS簽署區(qū)塊人不是經(jīng)常在線而可能導致的產(chǎn)塊延誤等一系列問題。DPoS機制通常能達到萬次每秒的交易速度，在網(wǎng)絡(luò)延遲低的情況下可以達到十萬秒級別，非常適合企業(yè)級的應(yīng)用。

 04  其他共識機制

區(qū)塊鏈系統(tǒng)中還有其它共識機制比如聯(lián)盟鏈常用的PBFT，新經(jīng)幣（NEM）用的POI等。這些共識機制是為了解決現(xiàn)有共識機制的一些缺點而被提出的。但目前使用的系統(tǒng)不如POW，POS和DPOS多。

共識機制是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心，它決定了一個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的去中心化程度，性能和安全性。因此公鏈的開發(fā)中，共識機制的設(shè)計是核心和關(guān)鍵。

5、區(qū)塊鏈應(yīng)用什么技術(shù)來實現(xiàn)此功能

區(qū)塊鏈應(yīng)用了以下的技術(shù)來實現(xiàn)
第一種是共識機制，常用的共識機制主要有PoW、PoS、DPoS、PBFT、PAXOS等。由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)中沒有一個中心，因此需要有一個預設(shè)的規(guī)則來指導各方節(jié)點在數(shù)據(jù)處理上達成一致，所有的數(shù)據(jù)交互都要按照嚴格的規(guī)則和共識進行；
第二種是密碼學技術(shù)，密碼學技術(shù)是區(qū)塊鏈的核心技術(shù)之一，目前的區(qū)塊鏈應(yīng)用中采用了很多現(xiàn)代密碼學的經(jīng)典算法，主要包括：哈希算法、對稱加密、非對稱加密、數(shù)字簽名等。
第三種是分布式存儲，區(qū)塊鏈是一種點對點網(wǎng)絡(luò)上的分布式賬本，每個參與的節(jié)點都將獨立完整地存儲寫入?yún)^(qū)塊數(shù)據(jù)信息。分布式存儲區(qū)別于傳統(tǒng)中心化存儲的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面：每個節(jié)點上備份數(shù)據(jù)信息，避免了由于單點故障導致的數(shù)據(jù)丟失；每個節(jié)點上的數(shù)據(jù)都獨立存儲，有效規(guī)避了惡意篡改歷史數(shù)據(jù)。
智能合約：智能合約允許在沒有第三方的情況下進行可信交易，只要一方達成了協(xié)議預先設(shè)定的目標，合約將會自動執(zhí)行交易，這些交易可追蹤且不可逆轉(zhuǎn)。具有透明可信、自動執(zhí)行、強制履約的優(yōu)點。區(qū)塊鏈技術(shù)有許多獨特的特點，使它成為一項獨特的發(fā)明，并賦予它無限的視野去探索。

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