4. 共識機制的種類；
主講嘉賓
一、區塊鏈為什麼需要共識機制
由於加密貨幣多數採用去中心化的區塊鏈設計，節點是各處分散且平行的，所以必須設計一套制度，來維護系統的運作順序與公平性。
1.什麼是共識機制
統一區塊鏈的版本，並獎勵提供資源、維護區塊鏈的使用者，以及懲罰惡意的危害者。這樣的制度，必須依賴某種方式來證明，是由誰取得了一個區塊鏈的打包權（或稱記帳權），並且可以獲取打包這一個區塊的獎勵，又或者是誰意圖進行危害，就會獲得一定的懲罰，這就是共識機制。
簡單來說，我們要一種機制來選擇哪個礦工來把交易寫入區塊鏈。比如今天聽課的同學有100人，我們分成50組打乒乓球，那麼我們有50組比分要記錄。
2.分散式記賬及“挖礦”
傳統的中心式記賬，意味著我們需要一個組委會來記錄比分。這樣就可能會出現徇私舞弊的情況，所以需要我們採用去中心化的方法。這意味著，這50桌每組都要記錄比分。不光自己的，還要記錄別人的。這就是分散式或者說去中心化的記賬方法。
但是，這樣做效率太低。大家必須要花大量的時間做這件事情。所以區塊鏈的設計是，我們找一些礦工來記錄比分。對於這些礦工，我們會給予獎勵，從而鼓勵他們為大家記錄比分，記錄完了以後再給每一桌複製一份。
這個獎勵，在比特幣系統裡面就是比特幣的由來。交易本身並不產生新的貨幣，礦工記錄比分才生成貨幣，也就是說，代幣的目的是為了獎勵付出努力的人，這就是”挖礦“的原理。
既然有獎勵，那麼現在問題來了。譬如比特幣，每次記賬（10分鐘）可以產生12.5個比特幣（現在，過去是50個），按照今天的價格，就是50萬人民幣。那麼肯定有很多礦工都搶著給大家計分，來獲取這個報酬。
那麼應該怎麼選擇一個礦工出來？這就需要用到“共識機制"，也就是說，大家都根據某種規則，同意讓我們今天的某一位同學來記錄大家的比分，記錄完畢的獎勵都給他。
當然，例子比較簡單，不過本質上就是這回事。這個乒乓球比賽，就可以理解為一筆交易。比分，就是記賬。記錄比分的人，就是礦工。獎勵的錢，就是比特幣或者代幣。
二、共識機制的工作原理和重要性
首先，交易發起方構造交易，加上數字簽名，廣播到區塊鏈P2P網路之中。然後， 區塊鏈網路中的“礦工"節點陸續收到這筆交易。然後，所有礦工都會把交易打包到自己構建的備選區塊之中，然後將自己的備選區塊廣播。
這時候，全網根據”共識機制“來決定哪個礦工負責寫入這個區塊。然後這個礦工將會負責把這個區塊新增到區塊鏈上，完成該區塊中的所有交易。最後交易完成，交易參與方可以查詢到交易執行結果。
那麼， "共識機制"是從什麼時候出現的？
1982年， Lamport首次發表了關於拜占庭將軍問題解決方案的論文，後來獲得了計算機界的最高獎：圖靈獎。
1999年，Jakobsson發表了關於PoW的論文。
2008年11月，中本聰發表了比特幣的論文，並用了PoW作為共識機制。
2012年，PeerCoin專案開始採用PoS作為共識機制。
2016年，Tendermint專案開始採用PBFT作為公示機制。
2018年，以太坊專案提出在2.0版本中，透過Casper方法採用PoS作為共識機制。實際上，V神今天正在歐洲介紹這方面的最新進展。
三、共識機制的基本要求和不可能三角
這裡需要提的是，任何分散式系統（包括比特幣甚至貨幣），都存在一個不可能三角形：效能、可擴充套件性和去中心化。
譬如人民幣，效能和可擴充套件性很高（每天無數人用它來交易），但是去中心化低（央行想印多少就印多少）。對於比特幣，去中心化程度高，可擴充套件性也高，但是效能低。
所以在設計、選擇共識機制時候，我們必須記住這三點：我們應該最佳化哪一方面，犧牲哪一方面，因為你不可能同時達到這三點。另外，所有的共識演算法必須具備三個基本要求：
1.一致性 （safety）：所有參與共識的誠實的節點，得到的計算結果是相同的，而且是符合共識協議的。
2. 終局性 （liveness）：所有參與共識的誠實的節點，最終可以達成一致性結果。
3. 容錯性 （fault tolerance）：在共識演算法的成功執行過程中，可以容許參與共識的節點發生一些錯誤。
四、共識機制的種類
1.POW（工作量證明）
如上所述，為了鼓勵人們主動記賬，中本聰決定給記賬的人發獎勵，這就是“比特幣”的由來。而記賬的人就是“礦工”。
由於不同的“礦工”都希望獲得記賬權，為了給每個區塊選擇一個全網認可的“礦工”，就需要 “礦工”給出一個證明，就是所謂“工作量證明”, 選出的礦工可以獲得12.5個比特幣作為獎勵。
獎勵以每四年減一半的速度遞減，礦工的收益的另一部分來自於每筆交易產生的手續費，到2140年無幣可獎勵的時候，礦工的獎勵將全部來自於交易的手續費。
現在關鍵來了，工作量證明是什麼意思？
還是以乒乓球比賽為例。如果有一個人來計分，我們會希望他們不能太慢，但是也不能太快。太慢的話，會積累很多比分要記錄，最後大家都要等他們。太快的話，會干擾我們的正常比賽。大家比賽中間要停下來，跟他們談話，這個效率很低。
為了保證節點之間的同步，新區塊的新增速度不能太快。區塊鏈的發明者中本聰故意讓新增新區塊變得很困難。只有透過極其大量的計算，才能找到一個隨機值，使得區塊的雜湊值符合一定的條件。這個過程就叫做挖礦（Mining）。
“礦工” 的工作其實就是猜出這個隨機項的值，使得區塊的雜湊值可以小於目標值，從而能夠寫入區塊鏈。這個隨機項的值，必須透過窮舉計算來獲得，也就是說，所有的礦工(計算機）必須反覆不停地嘗試從0開始的所有整數，直到他們找到這個隨機值（nounce）。找到了，他們就發財了。
舉個簡單的比喻，“挖礦” 的過程其實類似於打麻將， 四方最後有一方湊出了胡牌的牌型，就當與生成了一個達到要求的區塊雜湊值，胡牌的人就成了 “礦工”，得到相應的獎賞（比特幣）。胡完一牌，就是一個區塊生成，所以當前交易記錄在內。
然後大家接著下一局，繼續湊胡牌牌型。如果一局沒有人胡牌，也就是大家花了時間，但是沒有生成區塊，就重新開局。如果投入的時間/資源，小於獲得的獎賞，這個礦工就虧了。但是，如果有人摸了兩把就胡牌了，相當於很快就找到了這個雜湊值, 這個礦工就大賺了。
這樣，全世界成千上萬臺“礦機”們，都在不眠不休地計算中本聰出的這道數學題，為獲得獎勵的比特幣而“廢寢忘食”，這就是工作量證明的原理。
具體來說，工作量證明（PoW） 或者說挖礦演算法，目的就是尋找一個特殊的數字(nounce)，使得雜湊值（即SHA256 函式）的輸出字串的前n位是零。
所以，透過POW，我們可以找到一個礦工。但是網路上有那麼多的節點，怎麼確保所有節點都使用同一個區塊鏈呢？
中本聰為此提出了著名的一致性判別方法：如果一個節點的區塊鏈與另外一個節點的不同，這就意味著衝突。解決這個問題的辦法就是，“最長的有效的鏈”應當獲得認可。換句話說，網路上最長的鏈就是事實上的標準鏈。
利用這種演算法，我們可以在我們網路中的所有節點中達成共識。PoW的本質，是選擇計算量最大的鏈條最為主鏈條。這樣，即使有人惡意破壞，也要付出大量的經濟成本，達到不可承受的程度。
舉個例子，如果你去一個醫院櫃檯排隊，有好幾條隊，你應該選擇哪一條？按照中本聰的規則，你應該派最長的那條隊，因為裡面的人排得最久，所以最不容易被保安驅散。
也就是說，這套機制會找出最長的一條隊伍是合法的，獎勵其中排得久的人，並讓不合法的分叉隊伍重新排隊。只要大部分人不傻，就會自覺在最長的隊伍上排隊。
PoW的優點
1. 架構清晰，有效可靠。
2. 要獲得多數節點的認可，攻擊者必須投入超過51%的計算量，才能保證篡改結果。
3.公平：這種機制類似於多勞多得，乾的多，收穫也多。
PoW的缺點
1. 資料冗餘：所有資料都要在所有節點備份一遍。
2. 消耗能源：現在挖礦佔到了全球0.13%的電力消耗。挖掘一枚比特幣，相當於一輛汽車駕駛20萬公里的碳排放量。
3. 資訊網路延遲：區塊鏈，每10分鐘才能生成一個區塊，完成其中的交易，以太坊略有提高，每秒交易在幾百筆以內，相比之下，阿里巴巴雙11的交易速度是31.5萬筆/秒。
4. 算力壟斷：有些擁有大量算力的公司，譬如位元大陸，實際上已經擁有了某些公鏈或者dApp超過51%的算力，可以篡改結果，這樣就與加密貨幣或者中本聰的去中心化背道而馳。
2.POS（權益證明）
PoS即權益證明，最早由Sunny King於2012年創立的PPC（點點幣）採用，它可以解決上面提到的浪費算力的問題。
簡單來說，它選舉礦工的規則是：誰有錢誰更有可能獲得挖礦權。也就是說，挖礦成功的概率與礦工持有的代幣數量成正比。
回到乒乓球比賽的例子，也就是誰比分最高，讓誰來記，這樣鼓勵積極比賽的人。
這樣的好處：
1. 不需要算題，所以節約能源。
2. 攻擊者需要更高的成本，因為他需要購買大量的代幣才能獲得51%的篡改權。
缺點是：
1. 因為持有量越多的人獲得的獎勵越多，變成了資源壟斷，富者越富，窮者越窮。
2. 因為挖礦權跟持有的貨幣成正比，所以就類似於利息高的情況下，大家就不願意花錢，而把錢都存銀行一樣，這樣會變成所謂的”屯幣“，降低代幣的流通性。
採用PoS機制的專案目前來說，主要是以太坊2.0（將要推出）、PIVX和NAVCOIN這幾個專案。
3.DPOS（代表權益證明）
DPOS（DELEGATED POS）是POW的一個分類，就是代表制POS。也就是說，我的錢少但是我也要獲得挖礦權，怎麼辦，我委託一個代表來做這個事。
以EOS為例，它在全球選出了21個超級節點，所有使用者可以投票決定這些節點，也可以投票廢棄、更換這些節點。
這樣做的好處是：
1.不需要耗費能源和硬體。
2.縮短了區塊確認時間（超級節點可以負責），提高了效率。
3. 不需要挖礦，也不需要完全驗證，只需要部分見證節點驗證，簡單、高效。
但是問題也很明顯：
1. 這已經不是去中心化，而是完全的中性化了。
2. 節點選舉過程存在巨大的人為操作空間。
4.PBFT（實用拜占庭容錯）
實用拜占庭將軍問題解法（PBFT），這個機制跟前面兩種都不一樣，也就是說，我不需要礦工，我也不需要挖礦。
我透過周圍的人，來判斷我記錄的賬本對不對就行了。也就是說，一個人打完一場比賽以後，我們全部50桌都記錄一遍。
那麼怎麼判斷我記錄的對不對？我問我身邊的幾桌，譬如我周圍有四桌，如果三桌都說結果是王二戰勝李四，那麼即使第四個桌說王二輸給李四了，我也不用擔心，我知道肯定結果就是王二戰勝李四。
所以聽起來很玄乎的拜占庭將軍問題，就是這麼簡單的一回事。如果你周圍有四個人，你問他們今天路上堵不堵車。如果三個人說堵車，另外一個人說不堵車。你就可以確認，路上是堵車的，也就是達成一致意見。
但是注意，達成一致意見，並不意味著意見是正確的。有可能這三個人合起夥來騙你，那麼這種情況下，也是達成一致，只不過一致的結論實際上是錯誤的。拜占庭演算法只解決是否能達成一致意見的問題，不考慮意見是否正確。
具體來說，就是在一個分散式系統中，在N≥3F+1的情況下，一致性是可能實現的（N為計算機總數，F為有問題的計算機總數）。資訊在計算機間互相交換後，各計算機列出所有得到的資訊，以大多數的結果作為解決辦法。
PBFT的優點：它不需要礦工，不需要確認，節約能源。
但是缺點是：這種模式需要節點之間進行大量可靠的網路通訊（就是我不停地要問周圍的乒乓球桌，比分是多少，設想一下有50桌、500桌、5000桌的情況，這個通訊強度呈指數級增加）。因此，這種方法只適用於一小群節點，譬如聯盟鏈。
總結：按照《經濟學人》雜誌的說法，區塊鏈是一個信任機器。信任由共識產生，而具體的共識機制包括PoW、PoS、DPoS、PBFT等等。具體選擇哪一種方法，與專案和應用有關，不應一概而論。
轉自：公眾號（計然區塊鏈研究院）
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