1、區(qū)塊鏈的共識機制

所謂“共識機制”，是通過特殊節(jié)點的投票，在很短的時間內(nèi)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(jié)點能夠達成共識，我們就可以認為全網(wǎng)對此也能夠達成共識。北京木奇移動技術(shù)有限公司，專業(yè)的區(qū)塊鏈外包開發(fā)公司，歡迎洽談合作。下面我們將一下區(qū)塊鏈的幾種共識機制，希望對大家了解區(qū)塊鏈基礎(chǔ)技術(shù)有幫助。

因為區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展， 大家對共識機制這個詞也不再陌生，隨著技術(shù)發(fā)展，各種創(chuàng)新的共識機制也在發(fā)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(dāng)于算出很難的數(shù)學(xué)難題，就是計算出新區(qū)塊的hash值，而且計算的難度會每一段時間就會調(diào)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(huán)境。

POS權(quán)益證明

通過持有Token的數(shù)量和時長來決定獲得記賬權(quán)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(jié)點之間達成共識的時間，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境好的話可實現(xiàn)毫秒級，對節(jié)點性能要求低。

但POS的缺點同樣明顯，持有Token多的節(jié)點更有機會獲得記賬權(quán)，這將導(dǎo)致“馬太效應(yīng)”，富者越富，破壞了區(qū)塊鏈的去中心化。

DPOS權(quán)益證明

DPOS委托權(quán)益證明與POS原理相同，其主要區(qū)別在于，DPOS的Token持有者可以投票選舉代理人作為超級節(jié)點，負責(zé)在網(wǎng)絡(luò)上生產(chǎn)區(qū)塊并維護共識規(guī)則。如果這些節(jié)點未能履行職責(zé)，將投票選出新的節(jié)點。同樣的弊端也是傾向于中心化。

POA權(quán)威證明

POA節(jié)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(quán)威節(jié)點來驗證身份，這就意味著它會損害區(qū)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(xié)。

2、區(qū)塊鏈中的權(quán)益證明機制(PoS)是什么?

老楊說鏈：區(qū)塊鏈的共識機制權(quán)益證明POS

比特幣挖礦采用工作量證明機制，是什么意思呢？
權(quán)益證明機制（Proof of Stake），簡稱POS，也稱股權(quán)證明機制，類似于把資產(chǎn)存在銀行里，銀行會通過你持有數(shù)字資產(chǎn)的數(shù)量和時間給你分配相應(yīng)的收益。
同理，采用PoS的數(shù)字資產(chǎn)，系統(tǒng)根據(jù)你的幣齡給你分配相應(yīng)的權(quán)益，幣齡是你持幣數(shù)量和時間的乘積。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。
相較PoW（工作量證明機制），PoS存在2個優(yōu)勢。第一，PoS不會造成過多的電力浪費，因為PoS不需要靠比拼算力挖礦。第二，POS更難進行51%攻擊。擁有51%幣才能發(fā)起攻擊，網(wǎng)絡(luò)受到攻擊卻會造成自己利益受損，顯然很不劃算。
相較PoW（工作量證明機制），PoS存在2個優(yōu)勢。第一，PoS不會造成過多的電力浪費，因為PoS不需要靠比拼算力挖礦。第二，POS更難進行51%攻擊。擁有51%幣才能發(fā)起攻擊，網(wǎng)絡(luò)受到攻擊卻會造成自己利益受損，顯然很不劃算。
目前，有很多數(shù)字資產(chǎn)用PoW發(fā)行新幣，用PoS維護區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)安全。

3、區(qū)塊鏈常見的三大共識機制

區(qū)塊鏈是建立在P2P網(wǎng)絡(luò)，由節(jié)點參與的分布式賬本系統(tǒng)，最大的特點是“去中心化”。也就是說在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，用戶與用戶之間、用戶與機構(gòu)之間、機構(gòu)與機構(gòu)之間，無需建立彼此之間的信任，只需依靠區(qū)塊鏈協(xié)議系統(tǒng)就能實現(xiàn)交易。

可是，要如何保證賬本的準確性，權(quán)威性，以及可靠性？區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點為什么要參與記賬？節(jié)點如果造假怎么辦？如何防止賬本被篡改？如何保證節(jié)點間的數(shù)據(jù)一致性？……這些都是區(qū)塊鏈在建立“去中心化”交易時需要解決的問題，由此產(chǎn)生了共識機制。

所謂“共識機制”，就是通過特殊節(jié)點的投票，在很短的時間內(nèi)完成對交易的驗證和確認；當(dāng)出現(xiàn)意見不一致時，在沒有中心控制的情況下，若干個節(jié)點參與決策達成共識，即在互相沒有信任基礎(chǔ)的個體之間如何建立信任關(guān)系。

區(qū)塊鏈技術(shù)正是運用一套基于共識的數(shù)學(xué)算法，在機器之間建立“信任”網(wǎng)絡(luò)，從而通過技術(shù)背書而非中心化信用機構(gòu)來進行全新的信用創(chuàng)造。

不同的區(qū)塊鏈種類需要不同的共識算法來確保區(qū)塊鏈上最后的區(qū)塊能夠在任何時候都反應(yīng)出全網(wǎng)的狀態(tài)。

目前為止，區(qū)塊鏈共識機制主要有以下幾種：POW工作量證明、POS股權(quán)證明、DPOS授權(quán)股權(quán)證明、Paxos、PBFT（實用拜占庭容錯算法）、dBFT、DAG（有向無環(huán)圖）

接下來我們主要說說常見的POW、POS、DPOS共識機制的原理及應(yīng)用場景

概念：

工作量證明機制（Proof of work ），最早是一個經(jīng)濟學(xué)名詞，指系統(tǒng)為達到某一目標而設(shè)置的度量方法。簡單理解就是一份證明，用來確認你做過一定量的工作，通過對工作的結(jié)果進行認證來證明完成了相應(yīng)的工作量。

工作量證明機制具有完全去中心化的優(yōu)點，在以工作量證明機制為共識的區(qū)塊鏈中，節(jié)點可以自由進出，并通過計算隨機哈希散列的數(shù)值解爭奪記賬權(quán)，求得正確的數(shù)值解以生成區(qū)塊的能力是節(jié)點算力的具體表現(xiàn)。

應(yīng)用：

POW最著名的應(yīng)用當(dāng)屬比特幣。在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，在Block的生成過程中，礦工需要解決復(fù)雜的密碼數(shù)學(xué)難題，尋找到一個符合要求的Block Hash由N個前導(dǎo)零構(gòu)成，零的個數(shù)取決于網(wǎng)絡(luò)的難度值。這期間需要經(jīng)過大量嘗試計算（工作量），計算時間取決于機器的哈希運算速度。

而尋找合理hash是一個概率事件，當(dāng)節(jié)點擁有占全網(wǎng)n%的算力時，該節(jié)點即有n/100的概率找到Block Hash。在節(jié)點成功找到滿足的Hash值之后，會馬上對全網(wǎng)進行廣播打包區(qū)塊，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點收到廣播打包區(qū)塊，會立刻對其進行驗證。

如果驗證通過，則表明已經(jīng)有節(jié)點成功解迷，自己就不再競爭當(dāng)前區(qū)塊，而是選擇接受這個區(qū)塊，記錄到自己的賬本中，然后進行下一個區(qū)塊的競爭猜謎。網(wǎng)絡(luò)中只有最快解謎的區(qū)塊，才會添加的賬本中，其他的節(jié)點進行復(fù)制，以此保證了整個賬本的唯一性。

假如節(jié)點有任何的作弊行為，都會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點驗證不通過，直接丟棄其打包的區(qū)塊，這個區(qū)塊就無法記錄到總賬本中，作弊的節(jié)點耗費的成本就白費了，因此在巨大的挖礦成本下，也使得礦工自覺自愿的遵守比特幣系統(tǒng)的共識協(xié)議，也就確保了整個系統(tǒng)的安全。

優(yōu)缺點

優(yōu)點：結(jié)果能被快速驗證，系統(tǒng)承擔(dān)的節(jié)點量大，作惡成本高進而保證礦工的自覺遵守性。

缺點：需要消耗大量的算法，達成共識的周期較長

概念：

權(quán)益證明機制（Proof of Stake），要求證明人提供一定數(shù)量加密貨幣的所有權(quán)。

權(quán)益證明機制的運作方式是，當(dāng)創(chuàng)造一個新區(qū)塊時，礦工需要創(chuàng)建一個“幣權(quán)”交易，交易會按照預(yù)先設(shè)定的比例把一些幣發(fā)送給礦工本身。權(quán)益證明機制根據(jù)每個節(jié)點擁有代幣的比例和時間，依據(jù)算法等比例地降低節(jié)點的挖礦難度，從而加快了尋找隨機數(shù)的速度。

應(yīng)用：

2012年，化名Sunny King的網(wǎng)友推出了Peercoin（點點幣），是權(quán)益證明機制在加密電子貨幣中的首次應(yīng)用。PPC最大創(chuàng)新是其采礦方式混合了POW及POS兩種方式，采用工作量證明機制發(fā)行新幣，采用權(quán)益證明機制維護網(wǎng)絡(luò)安全。

為了實現(xiàn)POS，Sunny King借鑒于中本聰?shù)腃oinbase，專門設(shè)計了一種特殊類型交易，叫Coinstake。

上圖為Coinstake工作原理，其中幣齡指的是貨幣的持有時間段，假如你擁有10個幣，并且持有10天，那你就收集到了100天的幣齡。如果你使用了這10個幣，幣齡被消耗（銷毀）了。

優(yōu)缺點：

優(yōu)點：縮短達成共識所需的時間，比工作量證明更加節(jié)約能源。

缺點：本質(zhì)上仍然需要網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行挖礦運算，轉(zhuǎn)賬真實性較難保證

概念：

授權(quán)股權(quán)證明機制（Delegated Proof of Stake），與董事會投票類似，該機制擁有一個內(nèi)置的實時股權(quán)人投票系統(tǒng)，就像系統(tǒng)隨時都在召開一個永不散場的股東大會，所有股東都在這里投票決定公司決策。

授權(quán)股權(quán)證明在嘗試解決傳統(tǒng)的PoW機制和PoS機制問題的同時，還能通過實施科技式的民主抵消中心化所帶來的負面效應(yīng)。基于DPoS機制建立的區(qū)塊鏈的去中心化依賴于一定數(shù)量的代表，而非全體用戶。在這樣的區(qū)塊鏈中，全體節(jié)點投票選舉出一定數(shù)量的節(jié)點代表，由他們來代理全體節(jié)點確認區(qū)塊、維持系統(tǒng)有序運行。

同時，區(qū)塊鏈中的全體節(jié)點具有隨時罷免和任命代表的權(quán)力。如果必要，全體節(jié)點可以通過投票讓現(xiàn)任節(jié)點代表失去代表資格，重新選舉新的代表，實現(xiàn)實時的民主。

應(yīng)用：

比特股（Bitshare）是一類采用DPOS機制的密碼貨幣。通過引入了見證人這個概念，見證人可以生成區(qū)塊，每一個持有比特股的人都可以投票選舉見證人。得到總同意票數(shù)中的前N個（N通常定義為101）候選者可以當(dāng)選為見證人，當(dāng)選見證人的個數(shù)（N）需滿足：至少一半的參與投票者相信N已經(jīng)充分地去中心化。

見證人的候選名單每個維護周期（1天）更新一次。見證人然后隨機排列，每個見證人按序有2秒的權(quán)限時間生成區(qū)塊，若見證人在給定的時間片不能生成區(qū)塊，區(qū)塊生成權(quán)限交給下一個時間片對應(yīng)的見證人。DPoS的這種設(shè)計使得區(qū)塊的生成更為快速，也更加節(jié)能。

DPOS充分利用了持股人的投票，以公平民主的方式達成共識，他們投票選出的N個見證人，可以視為N個礦池，而這N個礦池彼此的權(quán)利是完全相等的。持股人可以隨時通過投票更換這些見證人（礦池），只要他們提供的算力不穩(wěn)定，計算機宕機，或者試圖利用手中的權(quán)力作惡。

優(yōu)缺點：

優(yōu)點：縮小參與驗證和記賬節(jié)點的數(shù)量，從而達到秒級的共識驗證

缺點：中心程度較弱，安全性相比POW較弱，同時節(jié)點代理是人為選出的，公平性相比POS較低，同時整個共識機制還是依賴于代幣的增發(fā)來維持代理節(jié)點的穩(wěn)定性。

4、號稱“區(qū)塊鏈的靈魂”的共識機制是什么?

我們知道區(qū)塊鏈是去中心化分布式記賬技術(shù)，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)當(dāng)中，沒有一個像銀行一樣的中心化記賬機構(gòu)，如何保證每一筆交易在所有記賬節(jié)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(qū)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(quán)益證明（Proof of Stake）以及委托權(quán)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(jīng)成功證明了其長期穩(wěn)定和相對公平，但在現(xiàn)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(qū)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(quán)益證明機制

POS 即權(quán)益證明或者股權(quán)證明，全稱為 Proof of Stake。權(quán)益證明模式就是根據(jù)所持有貨幣的量和時間，來發(fā)利息的的一個模式。

POS機制，相比于POW，POS機制節(jié)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(shè)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(guān)，即持有人持有的代幣數(shù)量越多、時間越長，其所能簽署、生產(chǎn)下一個區(qū)塊的概率越大。一旦其簽署了下一個區(qū)塊，持幣人持有的“幣齡”即清零，重新進入新的循環(huán)。

在POS機制下，因為區(qū)塊的簽署人由隨機產(chǎn)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(chǎn)生區(qū)塊，盡可能多的去清零他的“幣天”。因此整個網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)代幣的情況，整個網(wǎng)絡(luò)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(wěn)定情況下，每秒大約能產(chǎn)生12筆交易，但因為網(wǎng)絡(luò)延遲及共識問題，需要約60秒才能完整廣播共識區(qū)塊。長期來看，生成區(qū)塊（即清零“幣齡”）的速度遠低于網(wǎng)絡(luò)傳播和廣播的速度，因此在PoS機制下需要對生成區(qū)塊進行“限速”，來保證主網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

 03 

DPoS

委托權(quán)益證明機制

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

DPoS機制要求在產(chǎn)生下一個區(qū)塊之前，必須驗證上一個區(qū)塊已經(jīng)被受信任節(jié)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(jié)點，由這些可信任節(jié)點（即見證人）來代替其他持幣人行使權(quán)力，見證人節(jié)點要求長期在線，從而解決了因為PoS簽署區(qū)塊人不是經(jīng)常在線而可能導(dǎo)致的產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)延遲低的情況下可以達到十萬秒級別，非常適合企業(yè)級的應(yīng)用。

 04  其他共識機制

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

共識機制是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心，它決定了一個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的去中心化程度，性能和安全性。因此公鏈的開發(fā)中，共識機制的設(shè)計是核心和關(guān)鍵。

5、pos機制解決了pow的問題

pos機制解決了pow的問題：

基于權(quán)益證明（PoS），通常將金錢作為股權(quán)使用。

POA指的是身份的使用。這背后的想法是，人們會注意自己的名聲，因此會被勸阻不要惡意行事。

POW 工作量證明支持不可信的分布式共識，這對于加密貨幣等行業(yè)非常重要。它涉及挖掘過程，最好描述為執(zhí)行計算以驗證交易的合法性和創(chuàng)建新貨幣。

第一個完成計算的礦工將獲得一枚新代幣，并將區(qū)塊添加到鏈中。POS 權(quán)益證明的定義是在決定誰將創(chuàng)建新塊時使用權(quán)益關(guān)系。這個權(quán)益的取決于每個人持有的代幣數(shù)量。

持有更多代幣的人更有可能被選為下一個塊的驗證器。獎勵來自交易費用，因為在這個過程中不會產(chǎn)生新的代幣。

pos是公鏈中的共識算法，作為pow的一種替換。pow是保證比特幣，當(dāng)前以太坊和許多區(qū)塊鏈安全的一種機制，但是pow算法在挖礦過程中，因為破壞環(huán)境和浪費電而受到指責(zé)，pos試圖通過一種不同的機制取代挖礦的概念，從而解決這些問題。

ps機制可以被描述成一種虛擬挖礦，鑒于pow主要依賴于計算硬件的稀缺性，來防止女巫攻擊。在pow中，一個用戶有可能用一千美元來買計算機，加入網(wǎng)絡(luò)來挖礦，產(chǎn)生新區(qū)塊，從而得到獎勵。在pos中，用戶可以拿到一千美元，買到等值的代幣，把這些代幣當(dāng)做押金放在pos機制之中，只要用戶就有機會產(chǎn)生，這樣用戶可以得到獎勵。

pos算法如下，存在一個持幣人的集合，他們把手中的代幣放入pos機制中，這樣他們就變成驗證者。

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