什么是共識機制為什么區(qū)塊鏈需要共識機制

區(qū)塊鏈解決了在不可信信道上傳輸可信信息、價值轉(zhuǎn)移的問題，而共識機制解決了區(qū)塊鏈如何在分布式場景下達成一致性的問題，也是保障區(qū)塊鏈系統(tǒng)不斷運行下去的關鍵。

主要內(nèi)容：

1. 區(qū)塊鏈為什么需要共識機制；

2. 共識機制的工作原理和重要性；

3. 共識機制的基本要求和不可能三角；

4. 共識機制的種類；

一、區(qū)塊鏈為什么需要共識機制

由于加密貨幣多數(shù)采用去中心化的區(qū)塊鏈設計，節(jié)點是各處分散且平行的，所以必須設計一套制度，來維護系統(tǒng)的運作順序與公平性。

1.什么是共識機制

統(tǒng)一區(qū)塊鏈的版本，并獎勵提供資源、維護區(qū)塊鏈的使用者，以及懲罰惡意的危害者。這樣的制度，必須依賴某種方式來證明，是由誰取得了一個區(qū)塊鏈的打包權(quán)（或稱記帳權(quán)），并且可以獲取打包這一個區(qū)塊的獎勵，又或者是誰意圖進行危害，就會獲得一定的懲罰，這就是共識機制。

簡單來說，我們要一種機制來選擇哪個礦工來把交易寫入?yún)^(qū)塊鏈。比如今天聽課的同學有100人，我們分成50組打乒乓球，那么我們有50組比分要記錄。

2.分布式記賬及“挖礦”

傳統(tǒng)的中心式記賬，意味著我們需要一個組委會來記錄比分。這樣就可能會出現(xiàn)徇私舞弊的情況，所以需要我們采用去中心化的方法。這意味著，這50桌每組都要記錄比分。不光自己的，還要記錄別人的。這就是分布式或者說去中心化的記賬方法。

但是，這樣做效率太低。大家必須要花大量的時間做這件事情。所以區(qū)塊鏈的設計是，我們找一些礦工來記錄比分。對于這些礦工，我們會給予獎勵，從而鼓勵他們?yōu)榇蠹矣涗洷确?，記錄完了以后再給每一桌復制一份。

這個獎勵，在比特幣系統(tǒng)里面就是比特幣的由來。交易本身并不產(chǎn)生新的貨幣，礦工記錄比分才生成貨幣，也就是說，代幣的目的是為了獎勵付出努力的人，這就是”挖礦“的原理。

既然有獎勵，那么現(xiàn)在問題來了。譬如比特幣，每次記賬（10分鐘）可以產(chǎn)生12.5個比特幣（現(xiàn)在，過去是50個），按照今天的價格，就是50萬人民幣。那么肯定有很多礦工都搶著給大家計分，來獲取這個報酬。

那么應該怎么選擇一個礦工出來？這就需要用到“共識機制“，也就是說，大家都根據(jù)某種規(guī)則，同意讓我們今天的某一位同學來記錄大家的比分，記錄完畢的獎勵都給他。

當然，例子比較簡單，不過本質(zhì)上就是這回事。這個乒乓球比賽，就可以理解為一筆交易。比分，就是記賬。記錄比分的人，就是礦工。獎勵的錢，就是比特幣或者代幣。

二、共識機制的工作原理和重要性

首先，交易發(fā)起方構(gòu)造交易，加上數(shù)字簽名，廣播到區(qū)塊鏈P2P網(wǎng)絡之中。然后， 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的“礦工”節(jié)點陸續(xù)收到這筆交易。然后，所有礦工都會把交易打包到自己構(gòu)建的備選區(qū)塊之中，然后將自己的備選區(qū)塊廣播。

這時候，全網(wǎng)根據(jù)”共識機制“來決定哪個礦工負責寫入這個區(qū)塊。然后這個礦工將會負責把這個區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈上，完成該區(qū)塊中的所有交易。最后交易完成，交易參與方可以查詢到交易執(zhí)行結(jié)果。

那么， “共識機制”是從什么時候出現(xiàn)的？

1982年， Lamport首次發(fā)表了關于拜占庭將軍問題解決方案的論文，后來獲得了計算機界的最高獎：圖靈獎。

1999年，Jakobsson發(fā)表了關于PoW的論文。

2008年11月，中本聰發(fā)表了比特幣的論文，并用了PoW作為共識機制。

2012年，PeerCoin項目開始采用PoS作為共識機制。

2016年，Tendermint項目開始采用PBFT作為公示機制。

2018年，以太坊項目提出在2.0版本中，通過Casper方法采用PoS作為共識機制。實際上，V神今天正在歐洲介紹這方面的最新進展。

三、共識機制的基本要求和不可能三角

這里需要提的是，任何分布式系統(tǒng)（包括比特幣甚至貨幣），都存在一個不可能三角形：性能、可擴展性和去中心化。

譬如人民幣，性能和可擴展性很高（每天無數(shù)人用它來交易），但是去中心化低（央行想印多少就印多少）。對于比特幣，去中心化程度高，可擴展性也高，但是性能低。

所以在設計、選擇共識機制時候，我們必須記住這三點：我們應該優(yōu)化哪一方面，犧牲哪一方面，因為你不可能同時達到這三點。另外，所有的共識算法必須具備三個基本要求：

1.一致性 （safety）：所有參與共識的誠實的節(jié)點，得到的計算結(jié)果是相同的，而且是符合共識協(xié)議的。

2. 終局性 （liveness）：所有參與共識的誠實的節(jié)點，最終可以達成一致性結(jié)果。

3. 容錯性 （fault tolerance）：在共識算法的成功執(zhí)行過程中，可以容許參與共識的節(jié)點發(fā)生一些錯誤。

四、共識機制的種類

1.POW（工作量證明）

如上所述，為了鼓勵人們主動記賬，中本聰決定給記賬的人發(fā)獎勵，這就是“比特幣”的由來。而記賬的人就是“礦工”。

由于不同的“礦工”都希望獲得記賬權(quán)，為了給每個區(qū)塊選擇一個全網(wǎng)認可的“礦工”，就需要 “礦工”給出一個證明，就是所謂“工作量證明”， 選出的礦工可以獲得12.5個比特幣作為獎勵。

獎勵以每四年減一半的速度遞減，礦工的收益的另一部分來自于每筆交易產(chǎn)生的手續(xù)費，到2140年無幣可獎勵的時候，礦工的獎勵將全部來自于交易的手續(xù)費。

現(xiàn)在關鍵來了，工作量證明是什么意思？

還是以乒乓球比賽為例。如果有一個人來計分，我們會希望他們不能太慢，但是也不能太快。太慢的話，會積累很多比分要記錄，最后大家都要等他們。太快的話，會干擾我們的正常比賽。大家比賽中間要停下來，跟他們談話，這個效率很低。

為了保證節(jié)點之間的同步，新區(qū)塊的添加速度不能太快。區(qū)塊鏈的發(fā)明者中本聰故意讓添加新區(qū)塊變得很困難。只有通過極其大量的計算，才能找到一個隨機值，使得區(qū)塊的哈希值符合一定的條件。這個過程就叫做挖礦（Mining）。

“礦工” 的工作其實就是猜出這個隨機項的值，使得區(qū)塊的哈希值可以小于目標值，從而能夠?qū)懭雲(yún)^(qū)塊鏈。這個隨機項的值，必須通過窮舉計算來獲得，也就是說，所有的礦工（計算機）必須反復不停地嘗試從0開始的所有整數(shù)，直到他們找到這個隨機值（nounce）。找到了，他們就發(fā)財了。

舉個簡單的比喻，“挖礦” 的過程其實類似于打麻將， 四方最后有一方湊出了胡牌的牌型，就當與生成了一個達到要求的區(qū)塊哈希值，胡牌的人就成了 “礦工”，得到相應的獎賞（比特幣）。胡完一牌，就是一個區(qū)塊生成，所以當前交易記錄在內(nèi)。

然后大家接著下一局，繼續(xù)湊胡牌牌型。如果一局沒有人胡牌，也就是大家花了時間，但是沒有生成區(qū)塊，就重新開局。如果投入的時間/資源，小于獲得的獎賞，這個礦工就虧了。但是，如果有人摸了兩把就胡牌了，相當于很快就找到了這個哈希值， 這個礦工就大賺了。

這樣，全世界成千上萬臺“礦機”們，都在不眠不休地計算中本聰出的這道數(shù)學題，為獲得獎勵的比特幣而“廢寢忘食”，這就是工作量證明的原理。

具體來說，工作量證明（PoW） 或者說挖礦算法，目的就是尋找一個特殊的數(shù)字（nounce），使得哈希值（即SHA256 函數(shù)）的輸出字符串的前n位是零。

所以，通過POW，我們可以找到一個礦工。但是網(wǎng)絡上有那么多的節(jié)點，怎么確保所有節(jié)點都使用同一個區(qū)塊鏈呢？

中本聰為此提出了著名的一致性判別方法：如果一個節(jié)點的區(qū)塊鏈與另外一個節(jié)點的不同，這就意味著沖突。解決這個問題的辦法就是，“最長的有效的鏈”應當獲得認可。換句話說，網(wǎng)絡上最長的鏈就是事實上的標準鏈。

利用這種算法，我們可以在我們網(wǎng)絡中的所有節(jié)點中達成共識。PoW的本質(zhì)，是選擇計算量最大的鏈條最為主鏈條。這樣，即使有人惡意破壞，也要付出大量的經(jīng)濟成本，達到不可承受的程度。

舉個例子，如果你去一個醫(yī)院柜臺排隊，有好幾條隊，你應該選擇哪一條？按照中本聰?shù)囊?guī)則，你應該派最長的那條隊，因為里面的人排得最久，所以最不容易被保安驅(qū)散。

也就是說，這套機制會找出最長的一條隊伍是合法的，獎勵其中排得久的人，并讓不合法的分叉隊伍重新排隊。只要大部分人不傻，就會自覺在最長的隊伍上排隊。

PoW的優(yōu)點

1. 架構(gòu)清晰，有效可靠。

2. 要獲得多數(shù)節(jié)點的認可，攻擊者必須投入超過51%的計算量，才能保證篡改結(jié)果。

3.公平：這種機制類似于多勞多得，干的多，收獲也多。

PoW的缺點

1. 數(shù)據(jù)冗余：所有數(shù)據(jù)都要在所有節(jié)點備份一遍。

2. 消耗能源：現(xiàn)在挖礦占到了全球0.13%的電力消耗。挖掘一枚比特幣，相當于一輛汽車駕駛20萬公里的碳排放量。

3. 信息網(wǎng)絡延遲：區(qū)塊鏈，每10分鐘才能生成一個區(qū)塊，完成其中的交易，以太坊略有提高，每秒交易在幾百筆以內(nèi)，相比之下，阿里巴巴雙11的交易速度是31.5萬筆/秒。

4. 算力壟斷：有些擁有大量算力的公司，譬如比特大陸，實際上已經(jīng)擁有了某些公鏈或者dApp超過51%的算力，可以篡改結(jié)果，這樣就與加密貨幣或者中本聰?shù)娜ブ行幕车蓝Y。

2.POS（權(quán)益證明）

PoS即權(quán)益證明，最早由Sunny King于2012年創(chuàng)立的PPC（點點幣）采用，它可以解決上面提到的浪費算力的問題。

簡單來說，它選舉礦工的規(guī)則是：誰有錢誰更有可能獲得挖礦權(quán)。也就是說，挖礦成功的概率與礦工持有的代幣數(shù)量成正比。

回到乒乓球比賽的例子，也就是誰比分最高，讓誰來記，這樣鼓勵積極比賽的人。

這樣的好處：

1. 不需要算題，所以節(jié)約能源。

2. 攻擊者需要更高的成本，因為他需要購買大量的代幣才能獲得51%的篡改權(quán)。

缺點是：

1. 因為持有量越多的人獲得的獎勵越多，變成了資源壟斷，富者越富，窮者越窮。

2. 因為挖礦權(quán)跟持有的貨幣成正比，所以就類似于利息高的情況下，大家就不愿意花錢，而把錢都存銀行一樣，這樣會變成所謂的”屯幣“，降低代幣的流通性。

采用PoS機制的項目目前來說，主要是以太坊2.0（將要推出）、PIVX和NAVCOIN這幾個項目。

3.DPOS（代表權(quán)益證明）

DPOS（DELEGATED POS）是POW的一個分類，就是代表制POS。也就是說，我的錢少但是我也要獲得挖礦權(quán)，怎么辦，我委托一個代表來做這個事。

以EOS為例，它在全球選出了21個超級節(jié)點，所有用戶可以投票決定這些節(jié)點，也可以投票廢棄、更換這些節(jié)點。

這樣做的好處是：

1.不需要耗費能源和硬件。

2.縮短了區(qū)塊確認時間（超級節(jié)點可以負責），提高了效率。

3. 不需要挖礦，也不需要完全驗證，只需要部分見證節(jié)點驗證，簡單、高效。

但是問題也很明顯：

1. 這已經(jīng)不是去中心化，而是完全的中性化了。

2. 節(jié)點選舉過程存在巨大的人為操作空間。

4.PBFT（實用拜占庭容錯）

實用拜占庭將軍問題解法（PBFT），這個機制跟前面兩種都不一樣，也就是說，我不需要礦工，我也不需要挖礦。

我通過周圍的人，來判斷我記錄的賬本對不對就行了。也就是說，一個人打完一場比賽以后，我們?nèi)?0桌都記錄一遍。

那么怎么判斷我記錄的對不對？我問我身邊的幾桌，譬如我周圍有四桌，如果三桌都說結(jié)果是王二戰(zhàn)勝李四，那么即使第四個桌說王二輸給李四了，我也不用擔心，我知道肯定結(jié)果就是王二戰(zhàn)勝李四。

所以聽起來很玄乎的拜占庭將軍問題，就是這么簡單的一回事。如果你周圍有四個人，你問他們今天路上堵不堵車。如果三個人說堵車，另外一個人說不堵車。你就可以確認，路上是堵車的，也就是達成一致意見。

但是注意，達成一致意見，并不意味著意見是正確的。有可能這三個人合起伙來騙你，那么這種情況下，也是達成一致，只不過一致的結(jié)論實際上是錯誤的。拜占庭算法只解決是否能達成一致意見的問題，不考慮意見是否正確。

具體來說，就是在一個分布式系統(tǒng)中，在N≥3F+1的情況下，一致性是可能實現(xiàn)的（N為計算機總數(shù)，F(xiàn)為有問題的計算機總數(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。

PBFT的優(yōu)點：它不需要礦工，不需要確認，節(jié)約能源。

但是缺點是：這種模式需要節(jié)點之間進行大量可靠的網(wǎng)絡通信（就是我不停地要問周圍的乒乓球桌，比分是多少，設想一下有50桌、500桌、5000桌的情況，這個通信強度呈指數(shù)級增加）。因此，這種方法只適用于一小群節(jié)點，譬如聯(lián)盟鏈。

總結(jié)：按照《經(jīng)濟學人》雜志的說法，區(qū)塊鏈是一個信任機器。信任由共識產(chǎn)生，而具體的共識機制包括PoW、PoS、DPoS、PBFT等等。具體選擇哪一種方法，與項目和應用有關，不應一概而論。