原创 | 科普系列一：区块链共识机制

共识机制是指在一段时间内对事物的先后顺序达成共识的算法。 它是区块链技术应用的核心，可以解决如何保持全网数据一致性的问题。 本文从共识机制的评价标准入手，着重分析和讨论了几种主流共识机制的基本原理和优缺点。

01

共识机制评价标准

区块链作为一种按时间顺序存储数据的数据结构，可以支持不同的共识机制。 区块链上采用不同的共识机制，在满足一致性和有效性的同时，对系统的整体性能也会产生不同的影响。 通常，每一种共识机制主要从以下四个角度进行评估：

（1）安全性，即能否防止二次支付、自私挖矿等攻击，是否具有良好的容错能力。

(2)可扩展性，即是否支持网络节点扩展。

(3) 性能效率，即一笔交易从达成共识并记录在区块链中到最终被确认的时间延迟，即系统每秒可以处理和确认的交易数量。

(4)资源消耗，即系统在达成共识过程中消耗的计算资源量，包括CPU和内存。

02

主流共识机制

目前主流的共识机制包括PoW、PoS、DPoS、PBFT等。

1. 工作量证明

PoW，全称Proof of Work，即工作量证明机制。 它是第一个区块链共识机制，最先被BTC采用。 它主要依靠机器进行数学运算，通过计算随机哈希的数值解来获得记账权。 目前使用这种机制的有：BTC、BCH、LTC等。

PoW的优点是：（1）完全去中心化，节点可以自由进出； (2)算法简单，易于实现； (3) 节点无需交换额外信息即可达成共识； (4) 高安全性，破坏系统需要巨大的代价，即需要全网50%的节点失效。

缺点是：（1）挖矿造成大量资源浪费，消耗大量资源； (2) 区块的确认时间难以缩短，达成共识的周期长。 每次达成共识，都需要全网参与计算，不适合商用； (3) 所需算力大，新区块链必须寻找不同的哈希算法，否则将面临比特币的算力攻击； (4) 难以实现最终一致性，容易分叉，需要等待多次确认。

例如：向阳一班采用记账的方式，将班级内的大小事件记录在账本（相当于区块链）上。 账本是由许多串连在一起的小账本组成的，每一个小账本都需要一个计算。 为了鼓励学生积极记录班级发生的大小事件，班级规定，最先算出数学题的学生，打开小本子记录，将获得相应的奖励币（相当于令牌）。 具体来说，如果A同学先算出第n小本子的数学题，打开新的小本子，记录B同学在物理竞赛中获得一等奖的消息，A同学将获得相应的奖励币，班级集体也开始用新的小本子记账。 此时，如果C同学要修改小本子上记录的B同学获奖的消息，则需要重新计算第n个小本子的数学题，修改B同学获奖的消息。 但是，由于C同学计算第n小本的数学题时间落后于A同学，当C同学在计算第n小本的数学题时，D同学可能已经计算完了第n+小本的数学题。 1号小书 是的，除非C同学能说服50%以上的同学，否则B同学获奖的消息是不会改变的。 这就是 PoW 的运行原理。

2.权益证明

PoS，全称Proof of Stake，即权益证明机制，又称股权证明机制。 是PoW的升级共识机制，主要解决PoW工作量计算浪费的问题。 其本质是用Proof of Stake代替PoW中基于算力的工作量证明，系统中拥有最高权益而不是最高算力的节点获得区块记账权。 具体来说，PoS使用特定数量的币和上次交易的长度的乘积作为币龄，每笔交易都会消耗一定的币龄。 消耗的币龄越多，挖矿难度越低，累积的币龄最多的区块将被加入主链，获得记账权。 目前采用该机制的机制有：ADA、ONT、ATOM等。

PoS的优点是：（1）避免了挖矿造成的大量资源浪费； (2) 缩短各节点达成共识的时间。

缺点是：（1）仍然需要挖矿； （2）基于哈希计算竞争获取记账权的方式监管薄弱。

例如：襄阳宜办在上述记账方式的前提下，对记账权的取得进行了一些调整。 班级规定，每次月考前，持有奖励币最多且持有时间最长（乘积相当于币龄）的同学，可将班级大小事件记录在台账上，并获得相应的奖励币。 具体来说，如果A同学持有的奖励币最多，100个，并且持有时间最长，20天，在4月月考前，那么A同学获得记账权，C同学可以得到top的消息将化学比赛的奖金记录在账本上，并获得相应的奖励币（假设记录奖励为每年5%，则奖励币=100*20*5%/365=0.27），这就是PoS 的工作原理。

3.DPoS

DPoS，全称Delegated Proof of Stake，是PoS的进化版本，最初由比特股社区提出。 这类似于董事会的投票。 首先通过 PoS 选出代表，然后从代表中选出区块生成者获得收益。 简单来说，就是赋予每个代币持有者投票权比特币的共识机制，通过投票产生一定数量的代表（即超级节点），然后由这些选出的超级节点代表代币持有者进行验证记账. 超级节点可以获得节点奖励。 目前采用该机制的机制包括：EOS、TRX等。

DPoS的优势在于大大减少了参与验证记账的节点数量，可以实现秒级共识验证。

缺点是整个共识机制还是依赖token，很多商业应用不需要token模型。

例如：向阳一班最新的记账办法运行正常，但是因为部分同学要参加其他学校组织的为期两个月的交流会，为了保证记账的顺利进行，班级规定可以表决对于留在学校代记的学生，代记的学生可以获得相应的奖励。 具体来说，如果A同学和B同学想参加交流会，就投票给C同学和D同学代为保管书本。 然后就可以获得相应的奖励，这就是DPoS的运行原理。

4.PBFT

PBFT，全称Practical Byzantine Fault Tolerance，即实用拜占庭容错机制，主要研究在分布式系统出现故障节点的情况下，如何在系统中所有正确节点之间对一个输入值达成共识。 具体地，首先，主节点发布包含待验证记录的预准备消息，各节点收到预准备消息后进入准备阶段； 之后，主节点向所有节点发送包含待验证记录的准备消息，每个节点收到准备信息后，需要验证其正确性，保存正确的记录并发送给其他节点； 最后，等待一个节点接收到2f（f为故障节点）不同节点发送的预准备消息，并收到一致正确的记录时，该节点有权向其他节点广播确认消息，并进入确认阶段，直到每个节点收到2f+1条确认消息，协议终止，所有节点都同意记录。

PBFT 的优点是： (1) 系统的运行可以脱离币的存在，共识的每个节点都由业务参与者或监管者组成，安全性和稳定性由业务利益相关者保证； (2) 共识延迟2~5秒，基本满足商业实时处理要求； (3) 共识效率高，能够满足高频交易量的需求。

缺点是：（1）当1/3以上的记账员停止工作时，系统将无法提供服务； (2) 当1/3或更多的记账人联手作恶，其他记账人全部被封锁时，恰好分成两个网络孤岛，恶意记账人可以导致系统分叉。

例如：PBFT 算法至少需要 4 名参与者，1 名是总机长，另外 3 名机长负责飞行任务。 总机长接到指挥部的命令：向前飞行1000公里比特币的共识机制，总机长向三位机长下达命令，向前飞行1000公里。 收到消息后，三位队长将执行命令并报告结果。 A机长说：“我在京东1000公里”，B机长说：“我在京东1000公里”，C机长说：“我在京东800公里”。 机长总结三位机长的报告，发现首都以东1000公里占多数（2票>1票），于是无视机长C的报告结果，向指挥部报告：当前航班队伍在首都以东1000公里km，这就是PBFT算法。

总之，良好的共识机制可以提高系统性能，有利于区块链技术在理论和实践中的应用和发展。 主流共识机制各有特点和应用领域，需要不断完善和创新。

附：共识机制对照表

共识机制

工作量证明

权益证明

权益证明

拜占庭容错

安全

容错性

50%

50%

50%

33%

安全威胁

算力集中

候选人作弊

候选人作弊

主节点故障

可扩展性

区别

好的

好的

区别

性能效率

低的

更高

高的

高的

如果

高的

中间

低的

低的

参考：

[1] 卢志宽，李少华，马振军． 对话区块链[M]． 清华大学出版社，2018.

[2]刘彤彤． 区块链共识机制研究与分析[J]． 信息通信技术与政策, 2018(07):26-33.

[3] 韩轩，刘亚敏． 区块链技术中的共识机制研究[J]． 信息网络安全, 2017(09):147-152.

编辑：马可、钱嘉伟、熊逸伦