区块链共识机制、去中心化永动机（九）

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“共识，区块链法典”

“去中心化的区块链不需要第三方参与，日常的转账交易和系统维护由谁来做？如何协调？” 估计这是很多刚接触区块链技术的微博用户最不解的事情。 地方。 本期《微墨子》第九章，聊一聊“共识”这个话题。 相信微友看完整篇文章会豁然开朗，有所收获。

在日常生活场景中，您向朋友借钱并在到期时偿还贷款。 给储户付利息也是大家的共识。 假设朋友到期不还款，学校不按时开具毕业证，银行不支付存款利息。 在这种情况下，如何让违约方遵守约定的共识呢？ 只能寻求法律或其他机构的帮助，等待漫长的司法判决。

这是一种高度依赖中心化监管和运行的共识。 过程中容易出现作弊、老人拒绝遵守共识、法律成本过高等不公平和利益得不到保障。 当然，这也是一种共识，一种老旧的、低效的、高成本的、权益难以保障的、依赖中心化的共识。

区块链技术的神奇之处就在于它可以很好的解决这个问题。 首先，区块链技术去除了上述朋友借钱到期不还的“中心化”角色，向司法或其他中心机构寻求帮助，取而代之的是一套新的的“共识机制”，不是中心化的规则来完成的。 以地球循环生态来类比区块链技术。 地球上动物排放的二氧化碳会被植物吸收，产生新的氧气。 太阳会进行光合作用，微生物会净化受污染的水源，形成循环生态。 整个过程不需要任何集中干预。 人类对自然的过分干涉，最终伤害的是自然。

共识机制类型

区块链就像大自然的地球，可以实现自治的生态系统。 目前常见的区块链共识机制有五种：pow工作量证明（Proof Of Work）、pos权益证明（Proof of Stake）、DPoS授权权益证明（Delegated Proof of Stake）、拜占庭容错共识和pow工作量证明+pos权益证明混合系统。

微友可以把这些共识机制列为地球、火星、水星等不同的星球，有自己的生态系统，但它们的共同点是去中心化和自治的特点，这很容易理解。 向上。

以下全文将分别介绍五种共识机制各自的生态模型、特点、差异和优缺点，全面了解区块链如何在没有公司这样的中心化组织的情况下实现自主运行。

1 工作量证明 (pow)

工作量证明，英文Proof Of Work简称pow，我们介绍过，是Adam Back在1997年发明的“哈希现金”，应用于工作量证明机制，当时用于过滤垃圾邮件。 经哈尔芬尼改进后，成为今天工作量证明（POW）的前身。

工作量证明（POW），顾名思义，就是确认你的工作成果的证明。 例如，向招聘单位证明你已接受并完成大学教育，文凭就是最好的证明； 如何向交警证明你有合格的驾驶技术，驾照就是证明。

监控工作的过程是非常低效的，但是直接检查和确认工作的最终结果是非常高效的。 毕业证和驾照是最终成绩确认的证明。 比特币挖矿和大宗交易信息打包都使用了这套证明。

比特币的工作量证明（POW）不是由中心化组织确认的大学文凭、驾照、高级工程师证书等证明，而是通过计算上述哈希函数（Hash Function）得到的正确性。 作为努力证明的价值。 计算过程需要消耗算力才能找到正确的值，也就是通常所说的挖矿。 谁拥有最多的计算能力，就有更大的概率找到正确的值。 所以不难理解早期挖矿是电脑CPU。 ，后来演变成更强大的Asic专业矿机用于挖矿。

比特币的工作量证明（POW），参与者需要计算一个哈希函数问题来找到正确的值，才能获得奖励。 参与者是“矿工”。 计算需要“矿机”来计算和解决问题。 奖励是“比特币”。 ) 是第一个提交问题的解决方案，并且是正确的，奖励就是获得了。 在整个过程中，比特币系统并不监控每个矿工的操作过程，只是确认每个矿工的工作量结果是否正确有效。

比特币的共识机制是使用“工作量证明（pow）”，通过算力解决问题，找到哈希函数（Hash Function）的正确值，争取记账权（挖矿奖励和打包区块） transaction fees)，这是能够促进比特币持续流通的共识，也是矿工节点之间的共识。

由于参与记账权需要专业矿机计算挖矿，成本门槛高，发起51%理论攻击的风险需要付出巨大的成本作为代价（成本大于获得的收益）攻击），这是不现实和不可能的。 是的，所以在众多的共识机制中，工作量证明（pow）是目前公认的一种相对安全且易于实现的去中心化共识机制，但它也有明显的优缺点：

优势：

算法简单，易于实现；

破坏系统，花费大量金钱；

节点自由进出，人人可参与。

缺点：

能源消耗浪费；

算力过于集中；

区块确认时间过长；

容易分叉，没有最终性；

2 权益证明（pos）

Proof of Stake，英文Proof of Stake简称pos，是继中本聪的工作量证明（pos）之后的另一种共识机制。 2011年由量子力学的数字货币爱好者在Bitcointalk论坛上提出。

比特币的权益证明（pos）和工作量证明（pow）都属于一种共识机制，但前者不是通过哈希函数运算来解决问题，而是通过另一种称为“币龄”的方式来行使记账权循环操作系统。

币龄，微博朋友可以简单了解币龄和时间单位。 那么如何计算权益证明（pos）中的币龄呢？ 它是从你的钱包地址中有未花费的币（UTXO——unspent output）躺在那一刻开始计算，直到你使用或继续存入这笔钱为截止日期，两者之间的时间乘以持有的币数为等于币龄。

但是币龄的单位是按区块高度计算的，不是按时、分、秒、年、月、日计算的。 我们都知道比特币每10分钟打包1个区块，60分钟可以打包6个区块。 两者差距的高度是6-1=5/区块高度，而不是币龄那样的60减10分钟。

（btc.com/来源）

假设，2018年1月1日，你的区块高度为10万个区块，你将2个币存入Qtum量子链钱包地址（Qtum量子链是一种pos权益证明币），然后在2018年12月末出块是什么区块高度为30万区块时的币龄？ 那么你的币龄就是30万-10万=20万/块高，那么20万*2个币=40万，40万就是币龄。 这时假设全网UTXO的总币龄为100亿，那么你获得记账权的概率只有万分之四。

需要注意的是，当地址中的币被用于交易时，币龄会被清零并重新计算。 由此可见，权益证明（pos）机制设置的币数越多，币龄越大，记账权越大，收益越高。 理论上，权益证明（pos）也有51%的攻击风险，但大持币者比小投资者更愿意维护系统安全，因为他们是最大的既得利益者，与系统安全绑定，只有系统稳定他们手中的货币会更值钱，所以他们也不愿意进行恶意攻击。 攻击只会损害自己的利益，让币变得一文不值。 这也是权益证明（pos）能够有效抵御51%攻击风险的巧妙之处。

与工作量证明（pow）相比，权益证明（pos）机制不需要投入矿机算力来循环系统，因此越来越多的区块链项目摒弃了工作量证明机制，转而采用权益证明（proof of work）股权代替。 优点和缺点：

优势：

无需消耗能源进行挖矿；

达成共识的时间缩短；

更多持币者可以成为节点参与。

缺点：

没有最终一致性；

您持有的硬币越多，您的权力就越集中。

3 股份授权证明（DPOS）

Delegated Proof of Stake机制，英文Delegated Proof of Stake简称DPoS，该机制源于2013年比特股（Bitshares）项目发明的共识机制，对交易容量和出块速度有着极高的要求，并且基于POS机制。 更专业的解决方案。

股份授权证明（DPoS）类似于现代公司董事会的投票机制。 BitShares 有 101 个董事会席位（受托人），由持有 BitShares 的社区用户选举产生。 这101位由社区用户选出的受托人，负责轮流出块，维护系统的正常运行。 作为对他们工作的回报，代表们会获得代币奖励。

受托人想要竞选董事会席位，需要缴纳押金，类似于上文提到的达世币主节点，并使用自己的公钥向系统区块链注册，获取特定身份，长度为32 个字符。 社区用户（持有比特股的用户有资格投票。）如果标识符的代表（受托人）看好，则投票。 The top 101 voters are the effective trustees elected.

Delegated Proof of Share (DPoS) 惩罚机制，受托人负责出块和维护系统的日常运行。 如果受托人节点不能提供满足系统正常运行的算力以维持稳定，计算机宕机，或利用权利作恶，不作为是不诚实的，一旦被其他受托人或股东发现，将被处分立即被踢出董事会，交纳的保证金将被没收，空缺职位将由前102名受托人迅速取代。

Delegated Proof of Share (DPoS) 实际上是一种去中心化的自治公司 (DAC) 机制。 股东可以有更多机会参与社区治理，投票选举受托人，罢免作恶受托人，系统产生的利润回流给股东。

工作量证明（pow）使用矿机出块，消耗大量能源； 权益证明（pos）持有更多的币，更多的记账权，存在垄断风险； 共享授权证明（DPoS）采用民主选举的节点受托人，生产区块、交易容量和出块速度都是前两者无法企及的，其优缺点明显：

优势：

降低能源消耗；

确认速度更快；

更大的交易能力。

缺点：

投票积极性不高（持币量小的用户）；

节点选举频繁更换，容易造成网络安全隐患。

4 拜占庭共识的证明

维墨子在前两期介绍了拜占庭将军问题。 1982年，莱斯利·兰波特（Leslie Lamport）教授提出了容错算法问题。 此后，后继者创造了多种拜占庭容错算法，如实用拜占庭容错（pBFT）、授权拜占庭容错（dBFT）、联邦拜占庭协议（FBA）、拜占庭容错（BFT）等共识证明机制, 然后我们选择有代表性的 pBFT 和 dBFT 来介绍。

4.1 实用拜占庭容错（pBFT）

Practical Byzantine Fault Tolerance，英文Practical Byzantine Fault Tolerance或简称pBFT，由Miguel Castro和Barbara Liskov于1999年提出，旨在解决原始拜占庭容错算法效率低下的问题，降低算法的复杂度，使得拜占庭容错算法在实际系统应用中是可行的。

pBFT是一种基于消息传递的共识算法，在保证活跃性和安全性的前提下提供(n-1)/3的容错能力。 根据错误计算机的数量，寻找可能的解决方案，但没有绝对的答案，只能用来验证一种机制的有效性。 优点是共识效率高，可以实现高频交易； 缺点是当系统只剩下33%的节点时，系统就会停止运行。

pBFT共识机制的逻辑有点费脑，很难三言两语表达清楚。 感兴趣的微博朋友可以自行查看完整版素材或者稍后在微墨子单独发文。

4.2 授权拜占庭容错机制（dBFT）

委托拜占庭容错（delegated BFT）是在pBFT的基础上改进的。 簿记员采用公平选择，最终簿记员通过拜占庭容错算法达成共识。

小蚂蚁区块链项目（NEO）采用授权拜占庭容错机制（dBFT），将pBFT算法的C/S架构改进为适合P2P网络的对等节点，将静态共识节点改为动态节点，并引入数字证书、参与投票节点身份认证（通过投票共识选择参与节点）三项改进。

优势：

一个可以容忍任何类型错误的专业簿记员；

记账由多人完成，每个区块都具有最终性。

缺点：

1/3以上记账员停止工作后，系统无法提供服务；

还有1/3或者记账人作恶，可能造成系统分叉。

5pow+pos混合机制

工作量证明（pow）+权益证明（pos）混合共识机制是目前众多共识机制中较为完善的解决方案。 它使用 POW 工作量证明来铸造新币，并使用 POS 权益证明来维护网络节点的安全。 它比较接近于区块链去中心化方案。

上一期我们提到的达世币采用了工作量证明（pow）+权益证明（pos）的混合共识机制。 主节点为pos，负责为全网客户端提供服务，参与社区治理。 Pow 只负责提供算力打包区块交易，没有资格参与社区治理，避免像比特币 Pow 工作负载机制一样比特币共识机制是什么，算力过于集中导致被攻击的风险。 它有点去中心化和治理的模式，相互制约。

“共识”永动机

上面提到的pow、pos、拜占庭等共识机制，虽然它们使用的机制不同，但目的都是在缩短时间、节约能源消耗、杜绝作弊、相互制约等前提下达成共识，建立一个更分散，使用更方便的系统应用。

区块链的核心是“去中心化”，其背后的技术只是用来构建去中心化的工具（区块链技术也在不断的更新换代，只是为了更完美的去中心化融合），分布式记账点对点采用点p2p、POW工作量证明、时间戳和非对称加密算法等技术，维护去中心化系统的不可篡改、不可逆、公开透明、记录跟踪、可追溯的特性，使系统运行在良性循环，不断创造信用。 永动机。

PS：《》第一期基础系列计划更新十三章，还剩四稿。 微墨子原本计划一个月内完成稿件，但临近年底太忙，影响了进度比特币共识机制是什么，所以13号之后就停了下来。 春节后恢复刊登（时间另行规定）。 相信在过去的一个月里，微博用户对区块链技术有了一定的了解，每次看完文章后都应该多思考一下。 也欢迎在文末评论评论。