区块链共识机制的深入剖析

区块链解决了在不可信信道上传输可信信息、价值转移的问题，而共识机制解决了区块链如何在分布式场景下达成一致性的问题，也是保障区块链系统不断运行下去的关键。本期嘉宾崔伟将用一个简单的例子，深入剖析“共识机制”。

主要内容：

1.区块链为什么需要共识机制；

2.共识机制的工作原理和重要性；

3.共识机制的基本要求和不可能三角；

4.共识机制的种类；

主讲嘉宾

讲座内容

一、区块链为什么需要共识机制

由于加密货币多数采用去中心化的区块链设计，节点是各处分散且平行的，所以必须设计一套制度，来维护系统的运作顺序与公平性。

1.什么是共识机制

统一区块链的版本，并奖励提供资源、维护区块链的使用者，以及惩罚恶意的危害者。这样的制度，必须依赖某种方式来证明，是由谁取得了一个区块链的打包权（或称记帐权），并且可以获取打包这一个区块的奖励，又或者是谁意图进行危害，就会获得一定的惩罚，这就是共识机制。

简单来说，我们要一种机制来选择哪个矿工来把交易写入区块链。比如今天听课的同学有100人，我们分成50组打乒乓球，那么我们有50组比分要记录。

2.分布式记账及“挖矿”

传统的中心式记账，意味着我们需要一个组委会来记录比分。这样就可能会出现徇私舞弊的情况，所以需要我们采用去中心化的方法。这意味着，这50桌每组都要记录比分。不光自己的，还要记录别人的。这就是分布式或者说去中心化的记账方法。

但是，这样做效率太低。大家必须要花大量的时间做这件事情。所以区块链的设计是，我们找一些矿工来记录比分。对于这些矿工，我们会给予奖励，从而鼓励他们为大家记录比分，记录完了以后再给每一桌复制一份。

这个奖励，在比特币系统里面就是比特币的由来。交易本身并不产生新的货币，矿工记录比分才生成货币，也就是说，代币的目的是为了奖励付出努力的人，这就是”挖矿“的原理。

既然有奖励，那么现在问题来了。譬如比特币，每次记账（10分钟）可以产生12.5个比特币（现在，过去是50个），按照今天的价格，就是50万人民币。那么肯定有很多矿工都抢着给大家计分，来获取这个报酬。

那么应该怎么选择一个矿工出来？这就需要用到“共识机制"，也就是说，大家都根据某种规则，同意让我们今天的某一位同学来记录大家的比分，记录完毕的奖励都给他。

当然，例子比较简单，不过本质上就是这回事。这个乒乓球比赛，就可以理解为一笔交易。比分，就是记账。记录比分的人，就是矿工。奖励的钱，就是比特币或者代币。

二、共识机制的工作原理和重要性

首先，交易发起方构造交易，加上数字签名，广播到区块链P2P网络之中。然后，区块链网络中的“矿工"节点陆续收到这笔交易。然后，所有矿工都会把交易打包到自己构建的备选区块之中，然后将自己的备选区块广播。

这时候，全网根据”共识机制“来决定哪个矿工负责写入这个区块。然后这个矿工将会负责把这个区块添加到区块链上，完成该区块中的所有交易。最后交易完成，交易参与方可以查询到交易执行结果。

那么，"共识机制"是从什么时候出现的？

1982年，Lamport首次发表了关于拜占庭将军问题解决方案的论文，后来获得了计算机界的最高奖：图灵奖。

1999年，Jakobsson发表了关于PoW的论文。

2008年11月，中本聪发表了比特币的论文，并用了PoW作为共识机制。

2012年，PeerCoin项目开始采用PoS作为共识机制。

2016年，Tendermint项目开始采用PBFT作为公示机制。

2018年，以太坊项目提出在2.0版本中，通过Casper方法采用PoS作为共识机制。实际上，V神今天正在欧洲介绍这方面的最新进展。

三、共识机制的基本要求和不可能三角

这里需要提的是，任何分布式系统（包括比特币甚至货币），都存在一个不可能三角形：性能、可扩展性和去中心化。

譬如人民币，性能和可扩展性很高（每天无数人用它来交易），但是去中心化低（央行想印多少就印多少）。对于比特币，去中心化程度高，可扩展性也高，但是性能低。

所以在设计、选择共识机制时候，我们必须记住这三点：我们应该优化哪一方面，牺牲哪一方面，因为你不可能同时达到这三点。另外，所有的共识算法必须具备三个基本要求：

1.一致性（safety）：所有参与共识的诚实的节点，得到的计算结果是相同的，而且是符合共识协议的。

2.终局性（liveness）：所有参与共识的诚实的节点，最终可以达成一致性结果。

3.容错性（faulttolerance）：在共识算法的成功执行过程中，可以容许参与共识的节点发生一些错误。

四、共识机制的种类

1.POW（工作量证明）

如上所述，为了鼓励人们主动记账，中本聪决定给记账的人发奖励，这就是“比特币”的由来。而记账的人就是“矿工”。

由于不同的“矿工”都希望获得记账权，为了给每个区块选择一个全网认可的“矿工”，就需要“矿工”给出一个证明，就是所谓“工作量证明”,选出的矿工可以获得12.5个比特币作为奖励。

奖励以每四年减一半的速度递减，矿工的收益的另一部分来自于每笔交易产生的手续费，到2140年无币可奖励的时候，矿工的奖励将全部来自于交易的手续费。

现在关键来了，工作量证明是什么意思？

还是以乒乓球比赛为例。如果有一个人来计分，我们会希望他们不能太慢，但是也不能太快。太慢的话，会积累很多比分要记录，最后大家都要等他们。太快的话，会干扰我们的正常比赛。大家比赛中间要停下来，跟他们谈话，这个效率很低。

为了保证节点之间的同步，新区块的添加速度不能太快。区块链的发明者中本聪故意让添加新区块变得很困难。只有通过极其大量的计算，才能找到一个随机值，使得区块的哈希值符合一定的条件。这个过程就叫做挖矿（Mining）。

“矿工”的工作其实就是猜出这个随机项的值，使得区块的哈希值可以小于目标值，从而能够写入区块链。这个随机项的值，必须通过穷举计算来获得，也就是说，所有的矿工(计算机）必须反复不停地尝试从0开始的所有整数，直到他们找到这个随机值（nounce）。找到了，他们就发财了。

举个简单的比喻，“挖矿”的过程其实类似于打麻将，四方最后有一方凑出了胡牌的牌型，就当与生成了一个达到要求的区块哈希值，胡牌的人就成了“矿工”，得到相应的奖赏（比特币）。胡完一牌，就是一个区块生成，所以当前交易记录在内。

然后大家接着下一局，继续凑胡牌牌型。如果一局没有人胡牌，也就是大家花了时间，但是没有生成区块，就重新开局。如果投入的时间/资源，小于获得的奖赏，这个矿工就亏了。但是，如果有人摸了两把就胡牌了，相当于很快就找到了这个哈希值,这个矿工就大赚了。

这样，全世界成千上万台“矿机”们，都在不眠不休地计算中本聪出的这道数学题，为获得奖励的比特币而“废寝忘食”，这就是工作量证明的原理。

具体来说，工作量证明（PoW）或者说挖矿算法，目的就是寻找一个特殊的数字(nounce)，使得哈希值（即SHA256函数）的输出字符串的前n位是零。

所以，通过POW，我们可以找到一个矿工。但是网络上有那么多的节点，怎么确保所有节点都使用同一个区块链呢？

中本聪为此提出了著名的一致性判别方法：如果一个节点的区块链与另外一个节点的不同，这就意味着冲突。解决这个问题的办法就是，“最长的有效的链”应当获得认可。换句话说，网络上最长的链就是事实上的标准链。

利用这种算法，我们可以在我们网络中的所有节点中达成共识。PoW的本质，是选择计算量最大的链条最为主链条。这样，即使有人恶意破坏，也要付出大量的经济成本，达到不可承受的程度。

举个例子，如果你去一个医院柜台排队，有好几条队，你应该选择哪一条？按照中本聪的规则，你应该派最长的那条队，因为里面的人排得最久，所以最不容易被保安驱散。

也就是说，这套机制会找出最长的一条队伍是合法的，奖励其中排得久的人，并让不合法的分叉队伍重新排队。只要大部分人不傻，就会自觉在最长的队伍上排队。

PoW的优点

1.架构清晰，有效可靠。

2.要获得多数节点的认可，攻击者必须投入超过51%的计算量，才能保证篡改结果。

3.公平：这种机制类似于多劳多得，干的多，收获也多。

PoW的缺点

1.数据冗余：所有数据都要在所有节点备份一遍。

2.消耗能源：现在挖矿占到了全球0.13%的电力消耗。挖掘一枚比特币，相当于一辆汽车驾驶20万公里的碳排放量。

3.信息网络延迟：区块链，每10分钟才能生成一个区块，完成其中的交易，以太坊略有提高，每秒交易在几百笔以内，相比之下，阿里巴巴双11的交易速度是31.5万笔/秒。

4.算力垄断：有些拥有大量算力的公司，譬如比特大陆，实际上已经拥有了某些公链或者dApp超过51%的算力，可以篡改结果，这样就与加密货币或者中本聪的去中心化背道而驰。

2.POS（权益证明）

PoS即权益证明，最早由SunnyKing于2012年创立的PPC（点点币）采用，它可以解决上面提到的浪费算力的问题。

简单来说，它选举矿工的规则是：谁有钱谁更有可能获得挖矿权。也就是说，挖矿成功的概率与矿工持有的代币数量成正比。

回到乒乓球比赛的例子，也就是谁比分最高，让谁来记，这样鼓励积极比赛的人。

这样的好处：

1.不需要算题，所以节约能源。

2.攻击者需要更高的成本，因为他需要购买大量的代币才能获得51%的篡改权。

缺点是：

1.因为持有量越多的人获得的奖励越多，变成了资源垄断，富者越富，穷者越穷。

2.因为挖矿权跟持有的货币成正比，所以就类似于利息高的情况下，大家就不愿意花钱，而把钱都存银行一样，这样会变成所谓的”屯币“，降低代币的流通性。

采用PoS机制的项目目前来说，主要是以太坊2.0（将要推出）、PIVX和NAVCOIN这几个项目。

3.DPOS（代表权益证明）

DPOS（DELEGATEDPOS）是POW的一个分类，就是代表制POS。也就是说，我的钱少但是我也要获得挖矿权，怎么办，我委托一个代表来做这个事。

以EOS为例，它在全球选出了21个超级节点，所有用户可以投票决定这些节点，也可以投票废弃、更换这些节点。

这样做的好处是：

1.不需要耗费能源和硬件。

2.缩短了区块确认时间（超级节点可以负责），提高了效率。

3.不需要挖矿，也不需要完全验证，只需要部分见证节点验证，简单、高效。

但是问题也很明显：

1.这已经不是去中心化，而是完全的中性化了。

2.节点选举过程存在巨大的人为操作空间。

4.PBFT（实用拜占庭容错）

实用拜占庭将军问题解法（PBFT），这个机制跟前面两种都不一样，也就是说，我不需要矿工，我也不需要挖矿。

我通过周围的人，来判断我记录的账本对不对就行了。也就是说，一个人打完一场比赛以后，我们全部50桌都记录一遍。

那么怎么判断我记录的对不对？我问我身边的几桌，譬如我周围有四桌，如果三桌都说结果是王二战胜李四，那么即使第四个桌说王二输给李四了，我也不用担心，我知道肯定结果就是王二战胜李四。

所以听起来很玄乎的拜占庭将军问题，就是这么简单的一回事。如果你周围有四个人，你问他们今天路上堵不堵车。如果三个人说堵车，另外一个人说不堵车。你就可以确认，路上是堵车的，也就是达成一致意见。

但是注意，达成一致意见，并不意味着意见是正确的。有可能这三个人合起伙来骗你，那么这种情况下，也是达成一致，只不过一致的结论实际上是错误的。拜占庭算法只解决是否能达成一致意见的问题，不考虑意见是否正确。

具体来说，就是在一个分布式系统中，在N≥3F+1的情况下，一致性是可能实现的（N为计算机总数，F为有问题的计算机总数）。信息在计算机间互相交换后，各计算机列出所有得到的信息，以大多数的结果作为解决办法。

PBFT的优点：它不需要矿工，不需要确认，节约能源。

但是缺点是：这种模式需要节点之间进行大量可靠的网络通信（就是我不停地要问周围的乒乓球桌，比分是多少，设想一下有50桌、500桌、5000桌的情况，这个通信强度呈指数级增加）。因此，这种方法只适用于一小群节点，譬如联盟链。

总结：按照《经济学人》杂志的说法，区块链是一个信任机器。信任由共识产生，而具体的共识机制包括PoW、PoS、DPoS、PBFT等等。具体选择哪一种方法，与项目和应用有关，不应一概而论。

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