1、五分鐘了解共識機制

五分鐘了解共識機制
什么是共識機制？
“共識機制是區塊鏈的靈魂。”這是業內經常能聽到的一句話，共識機制在區塊鏈中的地位可想而知。那么到底什么是共識機制呢？我們不妨從拜占庭將軍問題說起。
拜占庭位于如今的土耳其的伊斯坦布爾，是東羅馬帝國的首都。由于當時拜占庭羅馬帝國國土遼闊，為了防御目的，每個軍隊都分隔很遠，將軍與將軍之間只能靠信差傳消息。在戰爭的時候，拜占庭軍隊內所有將軍和副官必須達成一致的共識，決定是否有贏的機會才去攻打敵人的陣營。但是，在軍隊內有可能存有叛徒和敵軍的間諜，左右將軍們的決定又擾亂整體軍隊的秩序。在進行共識時，結果并不代表大多數人的意見。這時候，在已知有成員謀反的情況下，其余忠誠的將軍在不受叛徒的影響下如何達成一致的協議，拜占庭問題就此形成。
拜占庭將軍問題是一個協議問題，拜占庭帝國軍隊的將軍們必須全體一致的決定是否攻擊某一支敵軍。問題是這些將軍在地理上是分隔開來的，并且將軍中存在叛徒。叛徒可以任意行動以達到以下目標：欺騙某些將軍采取進攻行動；促成一個不是所有將軍都同意的決定，如當將軍們不希望進攻時促成進攻行動；或者迷惑某些將軍，使他們無法做出決定。如果叛徒達到了這些目的之一，則任何攻擊行動的結果都是注定要失敗的，只有完全達成一致的努力才能獲得勝利。
而這個問題該如何解決？中本聰的理念給出了一個比較好的答案：不能讓所有人都有資格發信息，而是給發信息設置了一個條件：“工作量”，將軍們同時做一道計算題，誰先算完，誰才能獲得給其他小國發信息的資格。而其他小國在收到信息后，必須采用加密技術進行簽字蓋戳，以確認身份。然后再繼續做題，做對題的再繼續發消息……對這種先后順序達成共識的算法，就是共識機制。
共識機制的作用
區塊鏈作為一種按時間順序存儲數據的數據結構，可支持不同的共識機制。在區塊鏈上，每個人都會有一份記錄鏈上所有交易的賬本，鏈上產生一筆新的交易時，每個人接收到這個信息的時間是不一樣的，有些想要干壞事的人就有可能在這時發布一些錯誤的信息，這時就需要一個人把所有人接收到的信息進行驗證，最后公布最正確的信息。
共識機制是區塊鏈技術的重要組件。它就像一本法典，維系著區塊鏈世界的正常運轉，使得區塊鏈技術自帶改善世界的光芒，也是讓區塊鏈得以被全世界逐步接受和認可的最大幕后功臣，它讓互聯網、陌生人之間，在沒有第三方作為信用背書的情況下發生的一切交易變成可能，它賦予了機械的代碼以人性和溫度。
共識機制的類別
目前的共識機制主要有POW、POS、DPOS、PBFT、dBFT、Pool驗證池。
POW，就是人們熟悉的比特幣挖礦，通過計算出一個滿足規則的隨機數，即獲得本次記賬權，發出本輪需要記錄的數據，全網其它節點驗證后一起存儲。可實現完全去中心化，節點自由進出。干的越多，收的越多。
POS，權益證明，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，以此等比例的挖礦難度，從而加快找隨機數的速度。持有越多，獲得越多
DPOS，股份授權證明機制，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。
PBFT ，Practical Byzantine Fault Tolerance，實用拜占庭容錯算法，是一種狀態機副本復制算法，即服務作為狀態機進行建模，狀態機在分布式系統的不同節點進行副本復制，每個狀態機的副本都保存了服務的狀態，同時也實現了服務的操作。
dBFT，delegated BFT 授權拜占庭容錯算法，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。
Pool驗證池，基于傳統的分布式一致性技術建立，并輔之以數據驗證機制，是目前區塊鏈中廣泛使用的一種共識機制。Pool驗證池不需要依賴代幣就可以工作，在成熟的分布式一致性算法(Pasox、Raft)基礎之上，可以實現秒級共識驗證，更適合有多方參與的多中心商業模式。
現有共識機制存在問題
目前現有的共識機制都不算完美，在一些實際應用場景弊端很多。
A、計算能力浪費
在工作量證明機制POW中，猜數字最快的通常是電腦計算能力強的。超強的計算能級僅用來猜數字，實在是浪費。
B、權益向頂層集中
在權益證明機制POS中，token的余額越多的人獲得公示信息的概率越高，公示人會得到一定的token作為獎勵，如此持有token多的人會越來越多，少的人越來越少。
C、作惡成本低下
在靠算力與權益的的多少來獲得公示信息的權利的模式當中，當算力和權益向少數人集中之后，這些少數人如果想要做一些違反規則的事情是輕而易舉的；在PBFT中，由所有人投票，如果一個沒有任何token余額的人想要搗亂，那他幾乎是完全沒有利益損失。
D、對于真正的去中心化構成威脅
在工作量證明機制中，計算能力越強，獲得記錄權利的概率就越高。如果有人把很多人集中在一起來猜數字，把好多電腦的算力加在一起來用，那這些抱團的人就會更容易獲得公示信息的權利，發展到最后可能公示權就直接掌握在這些人手里。
在權益證明機制POS中，權益越大的人獲得記錄權利的概率越高，而記錄的人就會有獎勵token ，這樣一來這些人就會越來越富有，貧富差距就會越來越大。持有token少的人幾乎都沒有話語權了。權利掌握在少數人手中，這有違區塊鏈去中心化理念。

2、馬斯克:狗狗幣與以太坊合作已經達成一致

特斯拉首席執行官埃隆馬斯克表示，他“非常”同意以太坊聯合創始人 Vitalik Buterin 關于狗狗幣和以太坊之間的合作。V神表示：“如果我們能擁有一個安全的狗狗幣和以太坊鏈接的橋梁。這將是驚人的。”

上周，以太坊聯合創始人 Vitalik Buterin 在接受人工智能研究員 Lex Fridman采訪時談到了以太坊和狗狗幣之間潛在合作的可能性。

在談到馬斯克發的有關狗狗幣的推文的時候，Fridman表示：像埃隆馬斯克這樣背后推動加密貨幣的人，能不能整合到以太坊里面來。Buterin表示：

他還強調道：以太坊沒有反對狗狗幣，我有些希望粉絲們覺得以太坊至少在某種程度上是一種精神上的狗幣。

他詳細表示：我認為我們可以擁有一個狗狗與以太坊之間溝通的橋梁。那將是驚人的，當以太坊獲得可擴展性時，狗狗幣轉賬的時候手續費會更低，轉賬速度會更快。

Buterin在評論馬斯克的時候表示：如果你太復雜并且帶惡意去想一個人的時候，你就會犯錯。他只是一個人，喜歡狗狗幣，就像我喜歡狗狗幣一樣。

馬斯克在推特上表示：

以太坊目前正在從工作量證明 (PoW) 共識升級到權益證明 (PoS) 模型。Buterin 最近解釋了為什么升級需要比預期更長的時間。

我在整理項目的時候發現，升級不是技術的問題，而是與人有關的問題，以太坊可以有更好的經濟地位，但我們花了五年時間才達到現在的水平。這五年時間里面，我們團隊內部有很多的沖突。如果你需要組建一個團隊，選擇和誰一起工作很重要。

上個月，馬斯克對狗狗幣提出了一些改進建議，聲稱已經與狗狗幣開發者會面。馬斯克寫道：“理想情況下，狗狗幣轉賬速度將加快 10 倍，區塊大小增加 10 倍，轉賬手續費將降低 100 倍。”

3、【Discover ETH】什么是權益證明PoS

本篇作為Discover系列文章的開篇，結合ETH2.0的目標，來談談權益證明PoS是什么。

在談PoS之前，我們先來了解一下共識。共識，即達成了普遍協議。區塊鏈實質上是一個全球性的狀態機，達成共識意味著網絡上至少有超過一半（51%）的節點同意網絡的下一個全球狀態。
共識機制 （也稱為共識協議或共識算法）允許分布式系統（計算機網絡）協同工作并保持安全。當前主流的共識機制有兩種，分別是 工作量證明 (Proof of Work，PoW)和 權益證明 (Proof of Stake，PoS)。以太坊在設計之初就希望最終以太坊的共識機制能轉變為PoS，而PoW只作為一個過渡階段。但無論是PoW還是PoS，最終的目的都是相同的，即實現分布式計算機的共識機制。下面先簡單了解工作量證明（PoW）的工作機制。

工作量證明通過礦工們完成，礦工們需要競爭創建最新區塊以處理和完成交易。 獲勝者將與網絡中的其他節點分享最新區塊，并且獲得最新的特定代幣區塊獎勵（如以太坊的以太幣）。由于用戶需要擁有超過網絡中 51% 的算力才能夠欺騙整條鏈，因此網絡安全得以保證。 這將需要巨大的設備和能源投入，所需的開支甚至可能超過收益。
工作量證明是08年在中本聰所創造的比特幣中提出的，至今已經經過了充分的考驗和測試，但隨著越來越多的礦工和礦池的加入，挖掘新的區塊的難度指數爆發式上升，也面臨的如下的問題：

PoS作為ETH2.0關鍵的建設目標，其作用不僅僅只是因為PoW帶來的環境不友好的能源消耗，還有PoS的建設能更有力支持 分片鏈 （以太坊網絡擴展的關鍵升級），更強的去中心化特性等等。下面從幾個方面來簡單談談權益證明PoS的工作過程。

在以太坊中，工作量證明的過程參與的角色是礦工/礦池。其目的是通過算力試錯來反復計算，以此生成一個低于目標隨機數的混合哈希。這個計算難度依賴于區塊所聲明的 難度 ，難度越小，有效的哈希值的集合就越小。而在權益證明中，則沒有礦工這一角色，與之對應的是稱之為 驗證者 的角色。
在ETH2.0中，用戶需要質押 32ETH 來獲得作為驗證者的資格。驗證者被 信標鏈 隨機選擇去創建區塊，并且負責檢查和確認那些不是由他們創造的區塊。他們不需要開采區塊，他們只需要在被選中的時候創建區塊并且在沒有被選中的時候驗證他人提交的區塊。此驗證被稱為證明。
驗證者因提出新區塊和證明他們已經看到的區塊而獲得獎勵，對于一些惡意驗證者節點，也會有相應的懲罰機制使之失去質押。驗證者質押的ETH越多，獲得的獎勵也越多。可以這樣說，權益證明是一種用于激勵驗證者接受更多質押的機制。

前面提到了 分片鏈 這個名詞， 分片 就是將區塊鏈分成多條鏈。驗證者將會在不同的分片上處理它們的分片數據，以此來提高區塊鏈的工作效率。ETH2.0預計會有64個分片鏈。
驗證者會被隨機洗牌到不同的分片中，以防止驗證者惡意操縱節點并提高鏈的安全性。處理不同分片之間的數據的關鍵角色就是 信標鏈 （Beacon Chain）。
信標鏈 是協調分片信息、管理驗證者的連接不同分片的橋梁。
當用戶在分片上提交交易時， 驗證者 將負責將用戶的交易添加到分片區塊中。 信標鏈 通過算法選擇驗證器以提出新的塊。如果一個驗證者沒有被選中提出一個新的分塊，它們將會證明另一個驗證者的提議，并確認一切都正常。
至少需要 128 個被稱為 委員會 （ committee ）的驗證者來證明每個分片塊。委員會有一個提出和驗證分片區塊的時限，這個時限被稱為 插槽 （ Slot ），大約為12秒。 每個插槽只能創建一個有效區塊，一個 周期 （ Epoch ，大約6.4分鐘）有 32 個插槽。
每個周期過后，委員會都由不同的、隨機的參與者解散與重組，重組過程由一個半隨機算法 RANDAO 來選擇，以此避免惡意節點的操縱。

ETH2.0使用 Cassper 終局協議來確認一個新的區塊是否得到足夠的證明，即只要2/3的插槽同意（即當前參與計算的2/3的驗證者節點），該區塊就會被最終確定。而推薦此區塊的驗證者將獲得獎勵。因此，在權益證明的機制下，每過6.4分鐘就會創建一個新的區塊。關于Cassper協議的詳細說明后續再進行探索。

權益證明的建設以太坊在15年就已經提出，截止至今也才完成了Phase 0信標鏈的建設。而下一階段的與主網合并，再下一階段的分片鏈建設也一再推遲。雖然PoS的建設非常緩慢，但無論如何，權益證明作為主流的共識機制算法之一，也是值得我們探討其設計原理。
后續將會針對信標鏈的詳細設計、分片等ETH2.0內容進行探索。

4、區塊鏈共識機制之POS和DPOS

工作量證明算法作為區塊鏈第一個也是目前經受住足夠實踐檢驗的一個共識機制，解決的是分布式系統交易信息一致性的問題，在一個去中心化的網絡中構建了彼此不信任節點的信任機制，也是比特幣成功應用的關鍵技術環節。

經過幾年的實際運轉，這一算法的弊端也顯露出來，比特幣網絡每秒完成600萬億次SHA256運算，消耗了大量的電力資源，而最終這些計算沒有任何實際或科學價值。這些運算存在的唯一目的是用來解決工作量證明問題，另外一個現實的威脅便是算力集中，工作量證明本質上是利用窮舉法找出符合規定條件的哈希值的過程，算力越強，獲得記賬權(即挖到礦)的可能性便越高，一開始是最早利用顯卡挖礦的人，后來是利用FPGA礦機的人，再后來是利用ASIC專用芯片挖礦的人，現在就是不斷制造出更好的ASIC的人，另外還有“礦工”節點聯合起來組成礦池，如Ghash，Ghash 2014年曾經發表聲明，將在今后確保不超過40%的全網算力，這類自律聲明是對比特幣去信任機制的莫大諷刺。

比特幣自誕生以來，人們便開始嘗試其他除了工作量證明算法之外的其他共識機制，如具有代表性的權益證明POS、委托權益證明DPOS、拜占庭容錯機制（BFT）及實用拜占庭容錯機制（PBFT）等，下面將主要介紹POS和DPOS，BFT和PBFT留待下一篇。

權益證明POS

POS是一類共識算法，或者說是一類共識算法的設計思想，而不是一個，最早采用POS的是Peercoin。Peercoin是2012年8月，一個化名Sunny King的極客推出的一類加密貨幣，采用工作量證明機制+權益證明機制，首次將權益證明機制引入了加密貨幣。Peercoin引入了“幣齡”的概念，每個幣每天產生1幣齡，比如你持有100個幣，總共持有了30天，那么，此時你的幣齡就為3000。當一個新的區塊產生時，其他想獲得記賬權的節點同比特幣也需要計算哈希值，得出滿足條件哈希值的難易與難度值有關，這個難度值這里與幣齡成反比，即你的幣齡越大，得出符合條件的哈希值的概率就越大，同時你的幣齡被清空，記賬后系統會給予你相應“利息”，你每被清空365幣齡，獲得利息為：3000 * 利率 / 365，Peercoin的利率為1%，即0.08個幣。

可以看出，在POS機制下，持有幣越多，越容易獲得記賬權，接近于贏家通吃的感覺，但持有的幣越多，越接近于一個誠實的節點，因為破壞整個網絡帶來的損失也越大。Peercoin的POS機制有一個漏洞，對于不持有幣的人而言，他們本來就沒什么收益，所以一些惡意攻擊對于他們則是無損失的，這就是Nothing-at-stake attack（無利益攻擊）。后續的比較成功的POS都引入了對付這種攻擊的機制。

以太坊系統的目標是在今年引入權益證明，即Casper。在權益證明共識機制之下，用戶將能夠在以太坊網絡擁有“幣權”。用戶如果誠實行事并確認了合法交易，將獲得與其股權成比的利息；如果惡意行事并試圖網絡中作弊，就會失去其權益。

委托權益證明DPOS

委托權益證明DPOS是POS的變種，運用DPOS的典型如比特股等，其基本原理在于全網投票選出101個節點代行記賬權限，這些代表節點的權限完全一致。代表節點輪流記賬，可以選擇創造區塊或不創造區塊。但他們無法改變交易的詳情，惡意或者遲到的代表節點的行為也會被公之于眾，那么網絡可能將他們簡單快速地投票驅逐出去。被驅逐出去的代表節點將會失去他們記賬權限，以及對應的收入。

DPOS作為是一種弱中心化的共識機制，保留了一些中心化系統的關鍵優勢，如交易速度等(每個塊的時間為10秒，一筆交易在得到6-10個確認后大概1分鐘，一個完整的101個塊的周期大概僅僅需要16分鐘)，但每個持幣者都有能力決定哪些節點可以被信任，并且事實上，代表節點會主動降低自己的收入來贏得更多投票，剩下的收入會作為股息，支付給所有的比特股持有人。DPOS有點類似于代議制民主及股份公司董事會制度，都是一種精英制度，但其身份受制于下面的民眾，在DPOS中，幣的持有者至少有權決定代表節點—或者說礦工的身份。

5、區塊鏈的共識機制

所謂“共識機制”，是通過特殊節點的投票，在很短的時間內完成對交易的驗證和確認；對一筆交易，如果利益不相干的若干個節點能夠達成共識，我們就可以認為全網對此也能夠達成共識。北京木奇移動技術有限公司，專業的區塊鏈外包開發公司，歡迎洽談合作。下面我們將一下區塊鏈的幾種共識機制，希望對大家了解區塊鏈基礎技術有幫助。

因為區塊鏈技術的發展， 大家對共識機制這個詞也不再陌生，隨著技術發展，各種創新的共識機制也在發展。

POW工作量證明

比特幣就是使用PoW工作量證明機制，到后來的以太坊都是PoW的共識機制。Pow相當于算出很難的數學難題，就是計算出新區塊的hash值，而且計算的難度會每一段時間就會調整。PoW雖然是大家比較認可的共識機制,計算會消耗大量的能源,還有可能會污染環境。

POS權益證明

通過持有Token的數量和時長來決定獲得記賬權的機率。相比POW，POS避免了挖礦造成大量的資源浪費，縮短了各個節點之間達成共識的時間，網絡環境好的話可實現毫秒級，對節點性能要求低。

但POS的缺點同樣明顯，持有Token多的節點更有機會獲得記賬權，這將導致“馬太效應”，富者越富，破壞了區塊鏈的去中心化。

DPOS權益證明

DPOS委托權益證明與POS原理相同，其主要區別在于，DPOS的Token持有者可以投票選舉代理人作為超級節點，負責在網絡上生產區塊并維護共識規則。如果這些節點未能履行職責，將投票選出新的節點。同樣的弊端也是傾向于中心化。

POA權威證明

POA節點之間無需進行通信即可達成共識，因此效率極高。并且它也能很好地對抗算力攻擊，安全性較高。但是POA需要一個集中的權威節點來驗證身份，這就意味著它會損害區塊鏈的去中心化，這也是在去中心化和提高效率之間的妥協。

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