区块链100讲：区块链的灵魂——共识算法

本文内容来源于：皮蛋投资、海派部落、超级商人

整理：Cynthia

在解释拜占庭将军问题的时候提到“共识机制”，本期《区块链100讲》我们来说说被称为区块链灵魂的“共识算法”。

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共识机制

共识机制，在百度百科上的解释是这样的：

看上去是不是一头雾水？那么我这里就给大家一个比较能通俗易懂的解释：所谓的共识机制，就好比大家在开一次“会议”，最后达成一个一致，但是达成一致的途径有很多种，这也就是后续区块链的主链有各种各样的共识机制。那么这次“会议”都达成什么共识了呢？比如说有人做好事了，大家都知道了；有人做坏事了，大家也都知道。所以这就是共识机制的最大的好处，就是解决了彼此不认识的人的互相不信任的问题；同时，在这个“会议”里谁不管谁做了什么，大家都是知道的。

那么有人会问，如果这次“会议”的大部分人都叛变了，那岂不是导致会破坏掉这个“会议”，从而破坏掉整个区块链嘛？这种可能性当然是存在的了，但是参加这次“大会”的人都是来自世界各地，且彼此都不认识，想要控制他们是很难的。理论上，只要控制了51%的参加“会议”的人，就可以破坏掉整个网络，但是，如果你有控制51%人的能力，你还愿意去破坏整个区块链么？我觉得正常人都应该是拼命的去维护，所以，这也就是为什么区块链很难受到攻击的一个原因。

那么讲到这里，我们把共识机制类比成开“会议”，那么我们知道，如果开会的人多，最后达成结果的时间就比较久，开会的人少，最后达成结果的时间就比较快；放在区块链里，其实也是一样的。参加人数多了，大家就不容易被控制了，那么去中心化程度就越强了，那么达成一致的时间就久了；同理，参加的人数少了。大家就容易被控制，去中心化程度越弱了，但是达成一致的时间可能就会变快了。

大家会发现，共识机制的去中心化强弱是和区块链的速度成反比关系：去中心程度越弱，安全性就越低，区块链的速度就越快；去中心化程度越强，安全性就会越高，区块链的速度就会越慢。当然影响区块链速度的因素还有其他方面，日后我们会再讲。不过，很多媒体拿速度慢来抨击比特币，这就说明很多媒体和项目方是没技术含量的。区块链上的共识机制有多种，但任何一种都不是完美无缺，只能说每种共识机制适用的场景是不一样的。

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主流的共识算法

1、Pow工作量证明

就是大家熟悉的挖矿，通过运算，计算出一个满足规则的随机数，即获得本次记账权，发出本轮需要记录的数据，全网其它节点验证后一起存储。

优点：完全去中心化，节点自由进出。

缺点：目前bitcoin已经吸引全球大部分的算力，其它再用Pow共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来保障自身的安全；挖矿造成大量的资源浪费；共识达成的周期较长，不适合商业应用。

2、Pos权益证明

根据每个节点所占代币的比例和时间；等比例的降低挖矿难度，从而加快找随机数的速度。

优点：在一定程度上缩短了共识达成的时间。

缺点：与区块链的去中心化相背离。

3、DPos股份授权证明机制

类似于董事会投票，持币者投出一定数量的节点，代理他们进行验证和记账。

优点：大幅缩小参与验证和记账节点的数量，可以达到秒级的共识验证。

缺点：整个共识机制还是依赖于代币，在某种程度上趋向中心化。

4、Pool验证池

基于传统的分布式一致性技术，加上数据验证机制；是目前行业链大范围在使用的共识机制。

优点：不需要代币也可以工作，在成熟的分布式一致性算法（Pasox、Raft）基础上，实现秒级共识验证。

缺点：去中心化程度不如bictoin；更适合多方参与的多中心商业模式。

5、权威证明PoA（Proofof Authority）

所谓权威证明（PoA），就是使用一组所谓的“权限” 来允许人们在区块链上创建新的节点并确保区块链的安全。

优点：出块时间快，便于高速并发应用落地，可以根据参与方角色分配不同节点、开源系统丰富。

缺点：去中心化程度不如bictoin；更适合多方参与的多中心商业模式。

6、PBFT：Practical Byzantine Fault Tolerance，实用拜占庭容错

在保证活性和安全性（liveness & safety）的前提下提供了(n-1)/3的容错性。

在分布式计算上，不同的计算机透过讯息交换，尝试达成共识。

但有时候，系统上协调计算机（Coordinator / Commander）或成员计算机 （Member /Lieutanent）可能因系统错误并交换错的讯息，导致影响最终的系统一致性。

缺点：

当有1/3或以上记账人停止工作后，系统将无法提供服务；

当有1/3或以上记账人联合作恶，且其它所有的记账人被恰好分割为两个网络孤岛时，恶意记账人可以使系统出现分叉，但是会留下密码学证据。

7.dBFT： delegated BFT 授权拜占庭容错算法

介绍：小蚁采用的dBFT机制，是由权益来选出记账人，然后记账人之间通过拜占庭容错算法来达成共识。

此算法在PBFT基础上进行了以下改进：

将C/S架构的请求响应模式，改进为适合P2P网络的对等节点模式；

将静态的共识参与节点改进为可动态进入、退出的动态共识参与节点；

为共识参与节点的产生设计了一套基于持有权益比例的投票机制，通过投票决定共识参与节点（记账节点）；

在区块链中引入数字证书，解决了投票中对记账节点真实身份的认证问题。

优点：

专业化的记账人；

可以容忍任何类型的错误；

记账由多人协同完成，每一个区块都有最终性，不会分叉；

算法的可靠性有严格的数学证明。

缺点：

当有1/3或以上记账人停止工作后，系统将无法提供服务；

当有1/3或以上记账人联合作恶，且其它所有的记账人被恰好分割为两个网络孤岛时，恶意记账人可以使系统出现分叉，但是会留下密码学证据。

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现有各种共识机制的问

A、计算能力浪费

在工作量证明机制POW中，猜数字最快的通常是电脑计算能力强的。超强的计算能级仅用来猜数字，实在是浪费。

B、权益向顶层集中

在权益证明机制POS中，token的余额越多的人获得公示信息的概率越高，公示人会得到一定的token作为奖励，如此持有token多的人会越来越多，少的人越来越少。

C、作恶成本低下

在靠算力与权益的的多少来获得公示信息的权利的模式当中，当算力和权益向少数人集中之后，这些少数人如果想要做一些违反规则的事情是轻而易举的；在PBFT中，由所有人投票，如果一个没有任何token余额的人想要捣乱，那他几乎是完全没有利益损失。

D、对于真正的去中心化构成威胁

在工作量证明机制中，计算能力越强，获得记录权利的概率就越高。如果有人把很多人集中在一起来猜数字，把好多电脑的算力加在一起来用，那这些抱团的人就会更容易获得公示信息的权利，发展到最后可能公示权就直接掌握在这些人手里。