什么是共識機制

區(qū)塊鏈要成為一個難以攻破的、公開的、不可篡改數(shù)據(jù)記錄的去中心化誠實可信系統(tǒng)，需要在盡可能短的時間內(nèi)做到分布式數(shù)據(jù)記錄的安全、明確及不可逆，提供一個最堅實且去中心化的系統(tǒng)。

區(qū)塊鏈分布式記賬的方式使得每個人手上都有一本完整的賬本，全網(wǎng)共有。但是隨著節(jié)點的不斷增多，數(shù)據(jù)越多，賬本也越安全，難以摧毀。除此之外，任意一個或者部分節(jié)點的賬本被篡改，都不可能被全網(wǎng)認同，除非你能控制51%的節(jié)點，即51%攻擊，但是這耗能巨大，幾乎是不可能的。同時隨著節(jié)點不斷增加，誰來記賬，如何選擇合適的人來記賬成為一個問題，而制定一個記賬人的選擇方式以及規(guī)定，讓大家來遵守這個規(guī)定，達成共識，這就是區(qū)塊鏈里面的共識機制。

共識機制是區(qū)塊鏈節(jié)點就區(qū)塊信息達成全網(wǎng)一致共識的機制，說得更直白一些就是對于如何選擇記賬人達成共識。共識機制可以保證最新區(qū)塊被準確添加至區(qū)塊鏈、節(jié)點存儲的區(qū)塊鏈信息一致不分叉甚至可以抵御惡意攻擊。

比特幣作為區(qū)塊鏈的第一個應用，它的共識機制PoW共識機制曾經(jīng)一枝獨秀，但是隨著區(qū)塊鏈技術的不斷發(fā)展，各類不同的共識機制開始不斷涌現(xiàn)，各有千秋，各有擁躉。

共識機制分類

PoW( Proof of Work)工作量證明：多勞多得

機制中根據(jù)礦工的工作量來執(zhí)行貨幣的分配和記賬權的確定。算力競爭的勝者將獲得相應區(qū)塊記賬權和比特幣獎勵。因此,礦機芯片的算力越高,挖礦的時間更長,就可以獲得更多的數(shù)字貨幣。

優(yōu)點：算法簡單，容易實現(xiàn);節(jié)點間無需交換額外的信息即可達成共識;破壞系統(tǒng)需要投入極大的成本。

缺點：浪費能源；區(qū)塊的確認時間難以縮短;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；容易產(chǎn)生分叉，需要等待多個確認;永遠沒有最終性，需要檢查點機制來彌補最終性。

目前基于PoW共識機制的數(shù)字貨幣有很多，比特幣、萊特幣、狗狗幣、達士幣、門羅幣等初期的數(shù)字貨幣大多都是PoW共識機制。

PoS(Proof of Stake)股權證明算法：持有越多，獲得越多

POS 機制采用類似股權證明與投票的機制，選出記帳人，由它來創(chuàng)建區(qū)塊。持有股權愈多則有較大的特權，且需負擔更多的責任來產(chǎn)生區(qū)塊，同時也獲得更多收益的權力。

POS 機制中一般用幣齡來計算記賬權，每個幣持有一天算一個幣齡,比如 持有 100 個幣,總共持有了 30 天,那么此時的幣齡就為 3000。在 POS 機制下,如果記賬人發(fā)現(xiàn)一個 POS 區(qū)塊, 他的幣齡就會被清空為 0,每被清空 365 幣齡,將會從區(qū)塊中獲得 0.05 個幣的利息(可理解為年利率 5%)。

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。

最先開始運用權益證明共識機制的區(qū)塊鏈項目是2012年誕生的PeerCoin，以太坊前三階段均采用PoW共識機制，在第四階段開始以太坊將采用權益證明機制，此外，量子鏈和Blackcoin都采用POS共識機制。

DPOS(Delegated Proof-of-Stake)股份授權證明

DPOS 是在 POS 基礎之上發(fā)展起來的。與PoS的主要區(qū)別在于持幣者投出一定數(shù)量的節(jié)點，代理他們進行驗證和記賬。其合規(guī)監(jiān)管、性能、資源消耗和容錯性與PoS相似。

DPoS的工作原理為：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。DPoS的投票模式可以每30秒產(chǎn)生一個新區(qū)塊。

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)應用是不需要代幣存在的。

比特股(BitShares)社區(qū)首先提出了股份授權證明機制，和比特股一父同胞同出于大神BM之手的EOS以及Steem也是基于此共識機制，LBTC、BCX 、Lisk等也都采用了該共識機制，DPoS的支持者眾多，影響力廣泛，后來者居上。

DAG(Directed acyclic graph)有向無環(huán)圖：無區(qū)塊鏈概念

DAG最初出現(xiàn)就是為了解決區(qū)塊鏈的效率問題。其通過改變區(qū)塊的鏈式存儲結(jié)構，通過DAG的拓撲結(jié)構來存儲區(qū)塊。在區(qū)塊打包時間不變的情況下，網(wǎng)絡中可以并行的打包N個區(qū)塊，網(wǎng)絡中的交易就可以容納N倍。

之后DAG發(fā)展成為脫離區(qū)塊鏈，提出了blockless無區(qū)塊的概念。新交易發(fā)起時，只需要選擇網(wǎng)絡中已經(jīng)存在的并且比較新的交易作為鏈接確認，這一做法解決了網(wǎng)絡寬度問題，大大加快了交易速度。

優(yōu)點：交易速度快;無需挖礦;極低的手續(xù)費。

缺點：網(wǎng)絡規(guī)模不大，導致極易成為中心化;安全性低于PoW機制。

目前采用這個技術有IOTA、byteball兩個幣，前段時間國內(nèi)首個基于DAG的物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈項目ITC萬物鏈幣價也取得了不小的漲幅。

PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)實用拜占庭容錯：分布式一致性算法

實用拜占庭容錯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。

優(yōu)點：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)務的參與方或者監(jiān)管方組成，安全性與穩(wěn)定性由業(yè)務相關方保證;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;共識效率高，可滿足高頻交易量的需求。

缺點：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;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);去中心化程度不如公有鏈上的共識機制;更適合多方參與的多中心商業(yè)模式。

實用拜占庭容錯主要應用于央行的數(shù)字貨幣以及布萌區(qū)塊鏈。

Pool驗證池——私有鏈專用

Pool驗證池，基于傳統(tǒng)的分布式一致性技術，加上數(shù)據(jù)驗證機制;之前曾是行業(yè)鏈大范圍在使用的共識機制，但是隨著私有鏈項目的逐漸減少漸漸開始勢微。

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。

自定義共識機制以及混合共識機制：私人訂制

小蟻：dBFT(delegated BFT)授權拜占庭容錯算法

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。dBFT和PBFT的關系類似于 PoS和DPoS的關系。

dBFT在PBFT的基礎上做出了多出改進：將C/S架構的請求響應模式，改進為適合P2P網(wǎng)絡的對等節(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(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。

特點：專業(yè)化的記賬人;可以容忍任何類型的錯誤;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;算法的可靠性有嚴格的數(shù)學證明;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)。

唯鏈——PoA(Proof-of-Authority)

PoA共識機制，這種共識機制能達到的TPS，相較于比特幣的PoW和以太坊即將采用的PoS，在TPS上都要高出很多。唯鏈創(chuàng)世團隊曾經(jīng)披露唯鏈研發(fā)團隊測試能達到10000TPS，10000TPS足夠滿足很長一段時間內(nèi)的性能要求。

PoA與PoS類似，但是POS是基于持幣加時間的模式，所以同樣會造成利益分配的不均衡和大節(jié)點的產(chǎn)生，在PoA中，驗證者不需要在網(wǎng)絡中持有股份，但是必須具有已知的和經(jīng)過驗證的身份，這意味著驗證者不會有動機為自己的利益行事，由這些驗證者來驗證和治理DAPP的投票。如此，讓PoA的網(wǎng)絡變得更加安全和便宜。

除了唯鏈以外，歐鏈Oracles采用的也是PoA共識機制。

Ripple：RPCA(Ripple Protocol consensus algorithm)

瑞波共識機制RPCA是一個類似PBFT的共識機制，屬于節(jié)點投票的共識機制。初始特殊節(jié)點列表就像一個俱樂部，要接納一個新成員，必須由51%的該俱樂部會員投票通過。共識遵循這核心成員的51%權力，外部人員則沒有影響力。由于該俱樂部由“中心化”開始，它將一直是“中心化的”，而如果它開始腐化，股東們什么也做不了。

與比特幣及點點幣一樣，瑞波系統(tǒng)將股東們與其投票權隔開，并因此比其他系統(tǒng)更中心化。Stellar的共識機制SCP(Stellar Consensus Protocol)就是在“Ripple共識算法”的基礎上演化而來的。

Hcash——PoW+PoS共識機制

Hcash采用混合共識機制后，有Hcash的用戶與礦工均可以參與到投票中，共同參與Hcash社區(qū)的重大決定;Hcash的PoS還為不合格的礦工提供了一個制衡機制;通過PoS+PoW公平的按持幣數(shù)量與工作量分配投票權重，可以實現(xiàn)社區(qū)自治。

通過PoW,使得Hcash有挖礦的硬性成本作為幣價的保證，又制約了單獨PoS機制里數(shù)字貨幣過于集中的問題;PoS讓中小投資者著眼于項目的中長期的發(fā)展，中小戶更傾向于把幣放在錢包里進行PoS而不是放在交易所隨時準備交易使得Hcash生態(tài)更加健康，人們會將注意力更多的放在Hcash技術與落地應用上，而不是僅僅關注短期的價格波動。

在安全性上，由于PoW必須通過PoS的驗證才可生效，PoW礦工不能自行決定并改變網(wǎng)絡規(guī)則，這有效的抵擋了51%攻擊。

共識機制發(fā)展

迄今為止，沒有任何一種共識機制完美地解決了所有問題，每個共識機制都存在各自的短板。數(shù)字貨幣市場在不斷擴大，毫無疑問共識機制也在不斷地自我更新。

從PoW到PoS，PoS到DPoS，以及DAG的無區(qū)塊鏈概念，無疑不是對效率的不斷追求。但是共識越集中(參與度越低)，效率越高，也越容易出現(xiàn)安全和獨裁腐敗現(xiàn)象(和去中心化的初衷背道而馳)。只有做到各方面的平衡，通過之后的發(fā)展以及不斷的更迭，數(shù)字貨幣以及區(qū)塊鏈未來可期。

(來源：區(qū)塊鏈技術學習）

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