科普共识机制的演变与发展

共识机制的演变与发展

所有的加密货币都是去中心化的，去中心化的基础是有很多P2P节点，那么如何吸引用户加入网络成为节点，有哪些激励机制呢？ 同时，开发的重点是让多个节点维护一个数据库，那么如何决定写入哪个节点呢？ 什么时候写的？ 一旦写入，如何保证不被其他节点更改（不可逆）？ 这些问题的答案就是共识机制。

共识机制，可编程利益转移规则。 在传统的商业场景中，我们尝试了很多方法，试图通过一定的激励来增加用户粘性，留住用户。 比如共同点机制、用户等级等等，但是没有办法可以和加密货币的共识机制相提并论。 每一个区块链产品本身就是一个小社会，一个由网络节点组成的适应性组织，这个组织的运行必须通过共识机制来规范。

1.PoW工作量证明

POW是最早的共识机制，其代表当然是比特币。 中本聪设计POW的初衷大概是希望每个人都有平等获得比特币的权利，实现最大限度的民主和去中心化，虽然挖矿和记账的奖励是基于人性的逐利本性而设计的。 机制，却万万没想到，水能载舟，能覆舟。 逐利本性一旦被激发，就会一发不可收拾。 为了获得更大的收益，人们开始建设越来越中心化的矿池，矿场采用联合挖矿的方式获取收益比特币共识机制是什么，这在一定程度上背离了比特币的初衷。 此外，中心化矿场也意味着它们更容易受到监管机构和政府机构的控制。

挖矿是帮助比特币网络记录数据的动作； 矿机的发展历史经历了CPU/GPU/ASIC芯片时代。 这一系列的迭代无非是为了更高效地挖比特币。

CPU（Central Processing Unit）是计算机的主要执行设备。 它根据程序代码控制所有其他组件的运行。 CPU可以进行各种数学运算，也非常适合快速的任务切换和逻辑判断。

中本聪最初的想法是一个 CPU 和一种计算能力。 由于个人电脑的普及，大多数人都可以参与到挖矿的行列中，帮助维护一个共同的账本。

GPU（图形处理单元）是计算机视频渲染系统的一部分。 GPU类似于劳动力。 GPU虽然也可以做数学计算，但它的主要设计目的是进行视觉图形处理，而不是执行者的角色。 图形处理是很多重复性的工作，因为它是按计划处理屏幕上大量的像素点，为了更高效的计算，图形处理器的巨大优势是可以执行大量的重复性劳动，而不是快速的任务切换。

后来，人们仍然不满足于GPU的计算能力，开始投入更多的人力、物力、财力进行“军备竞赛”。 ASIC芯片来了，它是为特定用途而设计的集成电路。 相当于一支训练有素的特种兵，每个环节都经过精心设计，只为追求最大的输出效率。

挖矿收益分为两种：

区块奖励

区块奖励是指矿工记录一个新区块的奖励。 只有真正记账的矿工才能获得奖励，但谁有记账权呢？

这取决于计算能力。 算力越强，就越有机会在十分钟的“相扑”比赛中获胜，获得记账权。 奖励每 210,000 个区块（约 4 年）减半。 从2009年的创世区块到今天，区块奖励从50下降到12.5（2013年第一次减半，第二次减半）。

簿记费

对于现有的比特币，每笔交易都需要消耗一定数量的比特币作为GAS（gas fee）。 这笔 gas 费是发给矿工的小费，以感谢他们的辛勤工作和维护账本。

每种共识机制的出现都有其特定的历史环境和特定的需求。 POW是共识机制的鼻祖。 它出现在2008年全球金融危机的背景下，致力于解决央行不可避免的滥用权力问题。 造成了法币的超发和通货膨胀的问题。 但是经过九年的发展，我们也看到了POW机制的弊端：

耗电大

摩根士丹利分析师此前在一份报告中表示，2018 年虚拟货币挖矿可能消耗 140 太瓦时的电力，约占全球电力需求的 0.6%。 这可能看起来不是很多，但这意味着比特币挖矿的用电量已经超过全球至少 159 个国家的年用电量。

中国曾经占据全网80%的算力资源。 很大一部分原因是中国拥有低成本的电力资源。 早些年，有的矿场甚至偷电来挖矿。 中国的大部分矿山位于新疆、内蒙古、山西和四川，那里有便宜的火电和水电。 随着国家监管趋严，国内大量矿工背井离乡，开始在加拿大、冰岛、俄罗斯等地开矿。

加工效率

TPS也称为Transaction Per Second，每秒事务处理量。 如果每秒TPS并发量过低，容易造成网络严重拥堵，使区块链无法在高价值、高并发的业务领域落地。

比特币的TPS=7，即每秒只能处理7笔交易。 此外，比特币每十分钟产生一个区块，即确认一笔转账需要十分钟。 一般连续产生6个区块，也就是1个小时左右，才认为你的转账在链上已经比较稳定，不容易被篡改。 十分钟，如果是跨境支付，相比传统的T+2、T+3到账时间，大大缩短了。 但是如果做一些面向消费者的应用，是远远不能满足高频消费的需求的。 当然，目前比特币上有很多技术，比如微支付通道、闪电网络、隔离见证等，来提高比特币的吞吐量和交易确认时间。

更加集中

比特币很好的解决了“拜占庭将军”问题，但是在POW共识机制中，有一个前提，就是大部分的节点，至少51%的节点应该是“好人”。 否则就会出现51%算力攻击。 事实上，这样的风险已经存在。 排名前三的矿池BTC.COM、Antpool、ViaBTC已经占据了全网算力的52.4%。 如果他们想联手篡改数据或分叉比特币，将影响比特币系统的稳定性。

2.权益证明（POS）

Proof of Stake（简称PoS）最早由Quantum Mechanic于2011年在比特币论坛讲座中提出比特币共识机制是什么，后由点点币（Diancoin）和NXT（Future Coin）以不同的思路实现。

PoS 的主要概念是节点记账权的获得难度与节点持有的权益成反比。 它基于哈希运算，竞争记账权，弱监督。 这种共识机制的容错性与 PoW 相同。 它是PoW的升级，根据每个节点的token的比例和时间按比例降低挖矿难度，从而加快寻找随机数的速度。

在 PoW 中，用户可以花 1000 美元购买一台电脑，加入网络进行挖矿，生成新的区块并获得奖励。 在 PoS 中，用户可以用 1000 美元购买等值的代币，并将这些代币作为保证金放入 PoS 机制中，这样用户就有机会产生新的区块并获得奖励。

一般来说，这个系统中有一个代币持有者的集合，他们将自己的代币放入 PoS 机制中，从而成为验证者。 例如，对于区块链的第一个区块，PoS算法随机选择其中一个验证者（验证者的权重是根据他们投入的代币数量来选择的，例如选择存款为1W代币的验证者概率是投资 1K 代币的验证者的 10 倍），让他有权生成下一个区块。 如果验证者在一定时间内没有生成块，则选择第二个验证者而不是生成新块。 与 PoW 一样，PoS 也是基于最长链。

随着规模经济（指扩大生产规模带来经济效益增加的现象）的消失，集中化的风险降低。 价值 1000 万美元的代币支付同样多，是价值 100 万美元代币的 10 倍，而且没有人因为买得起量产工具而得不到成比例的额外回报。

PoS的优点：一定程度上缩短了达成共识的时间； 无需消耗大量能源进行挖矿。

PoS的缺点：仍然需要挖矿，并没有从本质上解决商业应用的痛点； 所有的确认只是一种概率表达，不是确定性的事情，理论上可能还有其他的攻击效果，比如以太坊的 The DAO 攻击导致了以太坊的硬分叉，而随后 ETC 的出现证明了这次硬分叉的失败。

3. 股份授权证明（DPOS）

比特股（BitShares）社区首先提出了共享授权证明（DPoS）机制。 它与 PoS 的主要区别是节点选举若干代理人，由代理人进行验证和记账，但其合规监管、性能、资源消耗和容错性与 PoS 类似。 类似于董事会投票，代币持有者投出一定数量的节点进行代理验证和记账。

DPoS的工作原理是：每个股东根据其持股比例具有相应的影响力，51%股东投票的结果将是不可逆转的，具有约束力。 挑战在于通过及时高效的方式实现“51%的认可”；

为实现这一目标，每个股东都可以将投票权委托给一名代表。 得票最多的前 100 名代表将按照既定时间表依次出块。 每个代表都被分配了一个时间段来生产块。

所有代表将获得相当于平均区块中所含交易费用 10% 的补偿。 如果平均一个区块使用 100 股作为交易费用，则代表将获得一股。

网络延迟可能会阻止一些代表及时广播他们的区块，这将导致区块链分叉。 然而，这不太可能发生，因为制作区块的代表可以与区块制作前后的区块代表建立直接联系。 与您之后的代表（也许还有您之后的代表）建立这种直接联系是为了确保您获得报酬。

DPoS 的投票模式每 30 秒可以产生一个新区块，在正常网络条件下，区块链分叉的可能性极小，即使发生分叉，也能在几分钟内解决。 执行模式的基本步骤如下：

成为代表。 要成为代表，您必须在网络上注册您的公钥并获得一个唯一的 32 位标识符。 该标识符将由每个交易数据的“标题”引用。

授权投票。 每个钱包都有一个参数设置窗口，用户可以在其中选择一个或多个代表并对其进行排名。 一旦设置，用户进行的每笔交易都会将选票从“输入代表”转移到“输出代表”。 通常，用户不会专门为投票目的创建交易，因为这会花费他们交易费。 但在紧急情况下，一些用户可能会觉得支付费用是值得的，因为这是一种更积极的改变投票的方式。

保持代表忠诚。 每个钱包都会显示一个状态指示器，让用户知道他们的代表在做什么。 如果错过太多块，系统会建议用户更换新的代表。 如果发现任何代表发布了无效区块，则所有标准钱包都需要选出新的代表，然后每个钱包才能继续进行更多交易。

抗攻击性。 在抗攻击性上，前100名受托人获得的权利是相同的，即每个受托人拥有平等的投票权，因此不可能通过获得超过1%的选票来将权力集中到单个受托人。 由于只有100个受托人，不难想象攻击者可以对每个轮到出块的受托人进行拒绝服务攻击。 幸运的是，由于每个代表都是通过其公钥而不是 IP 地址来识别的，因此很容易减轻这种特定攻击的威胁。 这将使针对 DDoS（分布式拒绝服务）攻击变得更加困难。 而受托人之间的潜在联系将使得阻止他们出块变得更加困难。

DPoS的优点：大大减少了参与验证和记账节点的数量，可以实现秒级共识验证。

DPoS 的缺点：整个共识机制仍然依赖代币，很多商业应用不需要代币。

4. BFT-DPOS共识机制

在最早的 EOS 技术白皮书中，EOS 主要采用上述的 DPoS 机制，每 3 秒产生一个区块。 BFT-DPoS共识机制从而实现了500毫秒的出块间隔。 该机制的具体流程为：EOS持有者通过投票系统对每位超级节点候选人进行投票，选出21个节点作为超级节点。 然后这 21 个超级节点根据自己的网络资源协商出一系列的出块权。 当每个超级节点有权出块时，间隔为500毫秒（500毫秒是EOS团队通过大量实验测试得出的当前值，网络状态下可达到的最小稳定出块间隔）连续产生12个新的块，然后在下一个超级节点连续产生后切换到接下来的12个块。

这种方式可以保证一个超级节点能够以500毫秒为间隔连续产生区块，因为同一个超级节点产生新区块时不受当前网络状况的影响，但其他节点很难理解产生的区块由于网络延迟。 该块已确认，使其成为不可逆块。 因此，EOS 引入了拜占庭容错协议。 当超级节点A产生第一个新区块时，A对该区块进行签名并广播给其他超级节点，其他超级节点对该区块进行验证并签名后返回给A节点，当A节点收到一个由14个不同节点签名的区块时，该区块成为不可逆区块并连接到上一条区块链（500毫秒产生新区块并对该区块进行BFT的过程 协议共识过程在超级节点中同步进行，即确认过程不不影响超级节点生成新区块）。 EOS团队通过大量实验进行了测试。 在当前网络条件下，超级节点广播新区块并确认的过程可以在1秒内完成。 因此，每个新区块成为不可逆区块最多需要1.5秒，大大降低了跨链通信的延迟。 因为一个区块链在引入另一个区块链的交易状态时必须等待它成为不可逆的交易，所以两个基于 EOS 的区块链可以在 3 秒内来回通信，而以太坊执行类似的交易。 与比特币通信需要9分钟，比特币需要3个多小时。

上述过程虽然可以保证同一个超级节点能够以500毫秒的间隔产生新区块，但是在切换超级节点出块时，由于网络延迟，前一个节点产生的最后几个新区块可能会被新节点忽略超级节点。 为了解决这个问题，EOS按照一定的顺序选择超级节点依次出块，例如按照纽约（美国东海岸）、芝加哥（美国中部）、洛杉矶（西海岸）的顺序美国)、日本东京和中国上海。 这个顺序使得前一个节点产生的最后一个区块传播到下一个节点时有一个最小延迟，以防止下一个超级节点忽略前一个节点产生的块。 如果是随机定义出块权的超级节点，那么在现有网络条件下，出块间隔只能控制在3秒，以保证下一个节点不会忽略前一个高出块节点产生的块可能性。

使用上述BFT-DPoS协议可以将EOS的出块间隔从原来的3秒减少到500毫秒，也大大缩短了跨链通信的延迟，大大增加了单位时间内可以确认的交易数量. 笔者认为，如果在EOSIO1.0正式版中成功实现这样的机制，无疑是区块链技术向百万用户迈出的一大步。

5.投注共识

对赌共识是以太坊下一代共识机制Casper引入的新概念，属于PoS。 Casper 的共识是通过区块来达成的，而不是像 PoS 那样通过链来达成。

为了防止验证者在不同的世界提供不同的赌注，我们还有一个简单而严格的条款：如果你有两次相同的赌注序列号，或者如果你提交了 Casper 根据合约无法处理的赌注，你将失去所有保证金。 从这一点我们可以看出，Casper不同于传统的PoS，Casper有惩罚机制，让不法节点通过对网络的恶意攻击，不仅得不到交易手续费，还面临保证金被没收的风险.

Casper 协议下的验证者需要完成两个活动：区块生成和投注。 详情如下：

区块生产是一个独立于所有其他时间发生的过程，验证者收集交易，当轮到他们生产区块时，他们生产一个区块，对其进行签名并将其发送到网络。 投注过程有点复杂。 目前，Casper 的默认验证器策略旨在模仿传统的拜占庭容错共识：观察其他验证器如何抵押，取值 33%，并进一步向 0 或 1 移动。

客户端确认当前状态的过程如下：首先下载所有的区块和赌注，然后使用上述算法形成自己的意见，但不发表意见； 它只是按顺序在每个高度进行观察，如果一个块的概率高于 0.5，则处理它，否则跳过它。 在处理完所有块之后，结果状态可以显示为区块链的“当前状态”。 客户端也可以给出对“敲定”的主观看法：如果高度k之前的每个区块形成的意见高于99.999%或者低于0.001%，那么客户端可以认为前k个区块被敲定。

6.瑞波币共识

Ripple 共识算法使一组节点能够基于特定的节点列表形成共识。 最初的特殊节点列表就像一个俱乐部。 接纳新会员须经本会会员51%投票通过。 共识遵循这些核心成员的“51%权利”，外人没有影响力。 由于俱乐部一开始是集中的，它将保持集中，如果它开始腐烂，股东们也无能为力。 与比特币和点点币一样，Ripple 系统将股东与其投票权分开，因此比其他系统更加集中。

七、矿池验证池

由 Bubi Blockchain 提出并应用。 Pool（联合运行）验证池是基于传统的分布式一致性技术和数据验证机制，是业界广泛使用的共识机制。 其优缺点如下：

优点：无需代币即可工作，在成熟的分布式共识算法（Paxos、Raft）的基础上实现秒级共识验证。

缺点：去中心化程度不如比特币，更适合多方参与的多中心商业模式。

8.实用的拜占庭容错

在分布式计算中，不同的计算机试图通过信息交换来达成共识，但有时，系统中的协调计算机或成员计算机可能会由于系统错误而交换错误的信息，从而影响最终的系统一致性。 对于拜占庭将军问题，如果我们根据故障计算机的数量来寻找可能的解决方案，实际上并不能找到绝对的答案，只能用来验证一种机制的有效性。

拜占庭一般问题可能的解决方案是：在N≥3F+1的情况下，一致性是可能的（N是计算机总数，F是有问题的计算机总数）。 计算机之间交换信息后，每台计算机列出所有获得的信息，并取大部分结果作为解决方案。

使用拜占庭容错（PBFT），首先由Castro和Liskov于1999年提出，是第一个被广泛使用的拜占庭算法。 只要系统中2/3的节点正常工作，就可以保证一致性。

使用拜占庭容错机制是一种采用“允许投票，少数服从多数”来选举领导人和记账的共识机制。 这种共识机制允许拜占庭容错，允许强监管节点参与，具有权限分级能力，具有更高的性能。 能耗更低，每轮记账由全网节点共同选举产生，允许33%的节点作恶，容错率为33%。

因为特别适合联盟链的应用场景，实用的拜占庭容错机制及其改进算法是目前联盟链使用最多的共识算法，其改进算法是目前联盟使用最多的共识算法chain，其改进算法在以下几个方面进行了调整： 修改底层网络拓扑的要求，使用P2P网络； 动态调整节点数； 减少协议使用的消息数量。

9.授权拜占庭容错

2016年4月，小蚁发布了共识算法白皮书，描述了一种通用的共识机制——授权拜占庭容错，并提出了一种改进的拜占庭容错算法，使其适用于区块链系统。

拜占庭将军问题由来已久，其核心描述是在一支可能存在叛徒的军队中，仍然需要保证一致的攻击或撤退行为。 在现实生活中，每当我们需要对投票的正确性和一致性做出判断时，就会出现这个问题； 同样，在区块链网络中，如果存在可能导致网络瘫痪或故障的节点，系统也难以保证正确的共识，从而导致失败。

dBFT 共识机制是该问题的众多解决方案之一。 在这个机制中，有两个参与者，一个是专业记账的“记账节点”，另一个是系统中的普通用户。 普通用户根据持仓比例投票决定记账节点。 当需要通过共识时，从这些记账节点中随机选出一名发言人制定方案，然后其他记账节点遵循拜占庭容错算法。 即少数服从多数的原则作出表述。 如果超过66%的节点同意议长方案，则达成共识； 否则，重新选举议长并重复投票过程。

授权拜占庭容错机制的优势：专业记账； 可以容忍任何类型的错误； 簿记由多人完成； 每个区块都有最终确定性，不会分叉； 算法的可靠性有严格的数字证明。

授权拜占庭容错机制的缺点：当1/3或更多的簿记员停止工作时，系统将无法提供服务； 当1/3或更多的记账人共同作案，而其他所有记账人被分割成两个网络孤岛时，恶意记账人可以导致系统分叉，但会留下密码学证据。

总而言之，授权拜占庭容错机制的核心点是最大程度保证系统的最终性，从而使区块链能够应用于真实的金融应用场景。

10.Paxos算法

这是一种传统的分布式共识算法，是一种基于选举领导者的共识机制。 Leader节点拥有绝对权限，允许强监管节点参与，性能高，资源消耗低。 所有节点一般都有离线接入机制，但选举过程中不允许有恶意节点，不具有容错性。