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國時期就發明了“虎符”這個神奇的方式來保障命令的正確執行。

在分布系數系統中，各個節點就是“拜占庭將軍”，算法執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，來讓系統有效地、正確地運行，便應運而生了各種“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的一個“哈希現金Hashcash”程序。

比特幣采用的是SHA256的單向函數，其具體的工作原理實在太專業，我們只需要理解到“SHA256的結果很容易驗證，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；技術上而言，任何新增區塊都需要經過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果，那通過PoW，全網節點就認可了他所付出的成本，承認新的區塊獎勵屬于他。

如此大量的運算相當浪費資源，實際上并沒有任何科學或實際用途，只是為了實踐工作量證明機制、阻止攻擊者偽裝成節點來控制網絡。

雖然在2009年時為了構建這種去中心化的、允許所有人可以免費參與的全球貨幣網絡，沒有更好的選擇；但是發展到如今，已經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權益證明。

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PoS，權益證明 Proof of Stake

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

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

什么是幣齡呢？

幣齡=數量*擁有天數。

由于區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區塊鏈的作用過程就可以這樣描述：

在初期，通過PoW機制，產生創世幣；

在創世幣達到一定規模時，PoS機制開始作用，交易時消耗幣齡、獲得產生區塊的優先權，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、什么是區塊鏈的共識機制?

區塊鏈系統是需要在沒有三方權威機構支持之下進行，共識機制能更好的保證區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（權益證明），DPoS（股份授權證明）等幾種算法。哈哈，別問我怎么知道，也是盈富財經學院的人告訴我的。

3、區塊鏈幾大共識機制及優缺點

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。
依賴機器進行數學運算來獲取記賬權，資源消耗相比其他共識機制高、可監管性弱，同時每次達成共識需要全網共同參與運算，性能效率比較低，容錯性方面允許全網50%節點出錯。
優點：
1)算法簡單，容易實現；
2)節點間無需交換額外的信息即可達成共識；
3)破壞系統需要投入極大的成本；
缺點：
1)浪費能源；
2)區塊的確認時間難以縮短；
3)新的區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，權益證明
一句話介紹：持有越多，獲得越多。
主要思想是節點記賬權的獲得難度與節點持有的權益成反比，相對于PoW，一定程度減少了數學運算帶來的資源消耗，性能也得到了相應的提升，但依然是基于哈希運算競爭獲取記賬權的方式，可監管性弱。該共識機制容錯性和PoW相同。它是Pow的一種升級共識機制，根據每個節點所占代幣的比例和時間，等比例的降低挖礦難度，從而加快找隨機數的速度
優點：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，本質上沒有解決商業應用的痛點；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，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社區首先提出了DPoS機制。
與PoS的主要區別在于節點選舉若干代理人，由代理人驗證和記賬。其合規監管、性能、資源消耗和容錯性與PoS相似。類似于董事會投票，持幣者投出一定數量的節點，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%股東投票的結果將是不可逆且有約束力的。其挑戰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授予一名代表。獲票數最多的前100位代表按既定時間表輪流產生區塊。每名代表分配到一個時間段來生產區塊。所有的代表將收到等同于一個平均水平的區塊所含交易費的10%作為報酬。如果一個平均水平的區塊含有100股作為交易費，一名代表將獲得1股作為報酬。
網絡延遲有可能使某些代表沒能及時廣播他們的區塊，而這將導致區塊鏈分叉。然而，這不太可能發生，因為制造區塊的代表可以與制造前后區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秒產生一個新區塊，并且在正常的網絡條件下區塊鏈分叉的可能性極其小，即使發生也可以在幾分鐘內得到解決。
成為代表：
成為一名代表，你必須在網絡上注冊你的公鑰，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據的“頭部”引用。
授權選票：
每個錢包有一個參數設置窗口，在該窗口里用戶可以選擇一個或更多的代表，并將其分級。一經設定，用戶所做的每筆交易將把選票從“輸入代表”轉移至“輸出代表”。一般情況下，用戶不會創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指示器，讓用戶知道他們的代表表現如何。如果他們錯過了太多的區塊，那么系統將會推薦用戶去換一個新的代表。如果任何代表被發現簽發了一個無效的區塊，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名代表所獲得的權力權是相同的，每名代表都有一份相等的投票權。因此，無法通過獲得超過1%的選票而將權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區塊的代表依次進行拒絕服務攻擊。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，將使妨礙他們生產區塊變得更為困難。
優點：大幅縮小參與驗證和記賬節點的數量，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，很多商業應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，系統上協調計算機（Coordinator / Commander）或成員計算機 （Member /Lieutanent）可能因系統錯誤并交換錯的訊息，導致影響最終的系統一致性。
拜占庭將軍問題就根據錯誤計算機的數量，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，F為有問題計算機總數。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，以大多數的結果作為解決辦法。
1）系統運轉可以脫離幣的存在，pbft算法共識各節點由業務的參與方或者監管方組成，安全性與穩定性由業務相關方保證。
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，系統將無法提供服務；
2)當有1/3或以上記賬人聯合作惡，且其它所有的記賬人被恰好分割為兩個網絡孤島時，惡意記賬人可以使系統出現分叉，但是會留下密碼學證據
下面說兩個國產的吧~
4.dBFT： delegated BFT 授權拜占庭容錯算法
介紹：小蟻采用的dBFT機制，是由權益來選出記賬人，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基礎上進行了以下改進：
將C/S架構的請求響應模式，改進為適合P2P網絡的對等節點模式；
將靜態的共識參與節點改進為可動態進入、退出的動態共識參與節點；
為共識參與節點的產生設計了一套基于持有權益比例的投票機制，通過投票決定共識參與節點（記賬節點）；
在區塊鏈中引入數字證書，解決了投票中對記賬節點真實身份的認證問題。
優點：
1)專業化的記賬人；
2)可以容忍任何類型的錯誤；
3)記賬由多人協同完成，每一個區塊都有最終性，不會分叉；
4)算法的可靠性有嚴格的數學證明；
缺點：
1)當有1/3或以上記賬人停止工作后，系統將無法提供服務；
2)當有1/3或以上記賬人聯合作惡，且其它所有的記賬人被恰好分割為兩個網絡孤島時，惡意記賬人可以使系統出現分叉，但是會留下密碼學證據；
以上總結來說，dBFT機制最核心的一點，就是最大限度地確保系統的最終性，使區塊鏈能夠適用于真正的金融應用場景。
5.POOL驗證池
基于傳統的分布式一致性技術，加上數據驗證機制。
優點：不需要代幣也可以工作，在成熟的分布式一致性算法（Pasox、Raft）基礎上，實現秒級共識驗證。
缺點：去中心化程度不如bictoin；更適合多方參與的多中心商業模式。

4、號稱“區塊鏈的靈魂”的共識機制是什么?

我們知道區塊鏈是去中心化分布式記賬技術，在區塊鏈系統當中，沒有一個像銀行一樣的中心化記賬機構，如何保證每一筆交易在所有記賬節點上的一致性呢？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）、權益證明（Proof of Stake）以及委托權益證明（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機制雖然已經成功證明了其長期穩定和相對公平，但在現有框架下，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）

權益證明機制

POS 即權益證明或者股權證明，全稱為 Proof of Stake。權益證明模式就是根據所持有貨幣的量和時間，來發利息的的一個模式。

POS機制，相比于POW，POS機制節省了能源，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，即持有人持有的代幣數量越多、時間越長，其所能簽署、生產下一個區塊的概率越大。一旦其簽署了下一個區塊，持幣人持有的“幣齡”即清零，重新進入新的循環。

在POS機制下，因為區塊的簽署人由隨機產生，則一些持幣人會長期、大額持有代幣以獲得更大概率地產生區塊，盡可能多的去清零他的“幣天”。因此整個網絡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絡中大多數代幣的情況，整個網絡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。穩定情況下，每秒大約能產生12筆交易，但因為網絡延遲及共識問題，需要約60秒才能完整廣播共識區塊。長期來看，生成區塊（即清零“幣齡”）的速度遠低于網絡傳播和廣播的速度，因此在PoS機制下需要對生成區塊進行“限速”，來保證主網的穩定運行。

 03 

DPoS

委托權益證明機制

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

DPoS機制要求在產生下一個區塊之前，必須驗證上一個區塊已經被受信任節點所簽署。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點，由這些可信任節點（即見證人）來代替其他持幣人行使權力，見證人節點要求長期在線，從而解決了因為PoS簽署區塊人不是經常在線而可能導致的產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，在網絡延遲低的情況下可以達到十萬秒級別，非常適合企業級的應用。

 04  其他共識機制

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

共識機制是區塊鏈系統的核心，它決定了一個區塊鏈系統的去中心化程度，性能和安全性。因此公鏈的開發中，共識機制的設計是核心和關鍵。

5、區塊鏈應用什么技術來實現此功能

區塊鏈應用了以下的技術來實現
第一種是共識機制，常用的共識機制主要有PoW、PoS、DPoS、PBFT、PAXOS等。由于區塊鏈系統中沒有一個中心，因此需要有一個預設的規則來指導各方節點在數據處理上達成一致，所有的數據交互都要按照嚴格的規則和共識進行；
第二種是密碼學技術，密碼學技術是區塊鏈的核心技術之一，目前的區塊鏈應用中采用了很多現代密碼學的經典算法，主要包括：哈希算法、對稱加密、非對稱加密、數字簽名等。
第三種是分布式存儲，區塊鏈是一種點對點網絡上的分布式賬本，每個參與的節點都將獨立完整地存儲寫入區塊數據信息。分布式存儲區別于傳統中心化存儲的優勢主要體現在兩個方面：每個節點上備份數據信息，避免了由于單點故障導致的數據丟失；每個節點上的數據都獨立存儲，有效規避了惡意篡改歷史數據。
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，只要一方達成了協議預先設定的目標，合約將會自動執行交易，這些交易可追蹤且不可逆轉。具有透明可信、自動執行、強制履約的優點。區塊鏈技術有許多獨特的特點，使它成為一項獨特的發明，并賦予它無限的視野去探索。

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