区块链的灵魂：共识机制

编者按：随着新一代技术革命的到来，区块链（Blockchain）作为一项关键技术，正在全球互联网领域迅速升温。 在中国，区块链也被视为核心技术自主创新的重要突破口。 各行各业开始寻找区块链赋能领域的途径，以帮助解决发展痛点和难点。 区块链到底是什么？ 它是如何工作的？ 如何体现其价值？ 我们将从GISer的角度，陆续推出“区块链”系列科普文章，为大家科普相关知识，分享区块链和IPFS的相关应用。 请继续关注未来的更新！

区块链采用去中心化设计，节点分散在各处，相互平行。 因此，系统的设计必须要维护系统运行的秩序和公平。 这个系统就是共识机制。 通常，区块链系统会根据该节点的账户，选择记账速度最快、记账最好的节点，并向所有其他节点发送备份。

在达成共识的过程中，会遇到很多问题，比如：系统用什么标准来判断最快最好的节点？ 为什么其他节点会同意某个节点的记账呢？ 人人参与记账，那么各个节点如何达成共识，保证节点数据的一致性和正确性呢？ 一些节点会不会出于自身利益伪造或篡改信息？ 在区块链网络中，这些问题都是通过“共识机制”来解决的。

本次我们将基于这些问题介绍区块链发展中的几大共识算法，分析其主要特点，并介绍超图对共识机制的选择。

比特币的共识机制：工作量证明

区块链最广为人知的共识机制是比特币系统中使用的PoW，即工作量证明。

什么是工作证明？

工作量证明（proof of work，PoW），简单理解就是确认你做了一定工作量的证明。 众所周知，监控工作的整个过程通常是极其低效的，而监控结果却要高效得多。 例如，很难知道一个学生是否每时每刻都在努力学习，但可以用文凭来验证他的努力程度。 现实生活中的各种证书都是通过检查结果（各种考试）来获得的。 工作量证明的原理与此有些相似。 它需要发起者做一定量的困难工作，即需要进行一定量的计算，消耗一定量的计算机时间才能得到一个结果。 验证者很容易通过这个结果。 验证发起者是否做了相应的工作，以及结果的正确性。

比特币系统利用各个节点的算力来竞争记账，即通过算力竞争达成共识。 系统大约每10分钟进行一轮算力竞赛，通过工作量证明来评判竞赛中获胜的节点。 获胜者将获得一次记账权，即有权在区块链的总账中添加新的区块，并将新的账户信息同步更新至其他节点，从而不断添加新的区块到区块链总账中。一遍又一遍地连锁。

由于区块链是一个去中心化的自治系统，没有第三方监管，在这种情况下，每个节点都会存在潜在的道德问题，成为作恶节点，因此达成共识变得非常困难。 如何解决这些问题？

在中本聪的设计中，每轮比赛获胜并完成记账的节点都会从系统中获得一定数量的比特币奖励。 奖励过程也是比特币的发行过程。 这有点类似于生物学中的“劣势原则”，可以理解为：在这个系统中，如果你努力工作，你的账本被系统认可和接受，系统就会奖励你的贡献； 而如果你的记账被系统认为不合格，将失去奖励。

准确地说，系统发放的奖励由两部分组成：一部分是包含在区块中的交易手续费，不属于比特币发行过程的一部分； 另一部分是新币奖励，每四年减半，就是比特币奖励。 发行过程。 目前获得的奖励主要是新币奖励。 在这个系统下，为了获得系统发行的比特币，节点不断地计算和竞争，不断地产生新的区块。 这个过程和现实生活中的挖矿过程非常相似，所以获得比特币的过程被称为“挖矿”。 我们可以看到，在这个系统中，每个节点只需要根据自己的利益行事，以“利己”为目的进行竞争，并且必须诚实才能在“工作量证明”中获胜以获得比特币.

这就是比特币的共识机制。 比特币借助区块链创造了一个良性循环系统。 工作量证明共识机制结构清晰、有效、可靠。 然而比特币采用的共识机制是PoS，工作量证明的突出问题是“浪费资源”，因为节点计算会消耗大量电力。 另外，在效率方面，这种共识机制的效率也很低，所以科学家们出于能源和效率的考虑，提出了一种新的共识机制。

PoS（权益证明）：股权证明机制

另一种典型的共识机制是以太坊的 PoS，一种权益证明机制。 PoS的原理类似于现实世界中的股权制。 您拥有的份额越多，您的话语权就越强，获得预订机会的概率就越大。 如果将 PoW 理解为“做的越多，获得的越多”，那么 PoS 就是“持有的越多，获得的越多”。

PoS 共识机制的核心是网络中的币。 记账权通过节点持有币的数量和时间来选择。 这些币可以在交易所甚至场外市场大量购买，不需要通过挖矿获得。 因此，与 PoW 相比，PoS 在一定程度上减少了数学运算带来的资源消耗。 同时，矿工无需争夺算力，不会浪费过多的算力时间，一定程度上提高了共识效率。

它的安全性来自于抵押经济的价值，即质押越高，回报越高。 PoS 协议内部还设计了一些激励机制来优化共识决策。 在基于权益的共识中，“存款”用于提高安全性。 由于押金和抵押品的存在，节点可以获得运行和维护网络的奖励，但如果节点作恶，其抵押品将根据协议内容受到惩罚或销毁。 协议中还将制定一些严厉的处罚措施。 例如，对作恶的惩罚将远远超过诚实节点获得的交易手续费或挖矿奖励。 .

PoS 共识仍然需要挖矿，但所有的确认只是一种概率表达，而不是确定性的事情比特币采用的共识机制是PoS，理论上更容易受到其他攻击的影响。 例如，以太坊 DAO 攻击事件导致以太坊硬分叉。 同时，拥有代币的节点可以坐享其成，所有参与者都可以持有代币赚取利息，不利于货币的流动。 另外，节点挖矿需要保持钱包畅通，容易吸引黑客攻击。

DPoS：共享授权证明机制

DPoS 类似于董事会投票，代币持有者投出一定数量的节点来代为验证和记账。 它与PoS的原理相同，只是选出一些“代表”来维护区块链网络，即节点选出若干代理人，由代理人进行验证和记账。 在这种模式下，每30秒可以产生一个新区块，正常网络条件下区块链分叉的可能性极小。 即使发生，也可以在几分钟内解决。 因此，DPoS 继承了 PoS 的优点，并且比 PoS 具有更快的效率和更高的性能。

但也因为性能的原因，DPoS 在去中心化上做出了妥协，只有代理节点才有验证和记账的权利。 因此，此时的区块链网络不再是真正意义上的“去中心化”，而是变成了“弱中心化”或“部分去中心化”。 同时，在区块链体系下，只有具有一定影响力的人才有资格获得记账权，这使得攻击者的目标更加明确，更容易受到恶意攻击。

以上是公链中几种典型的共识机制。 对于联盟链来说，与公有链最大的区别就是联盟链采用了比较强的身份管理机制。 在明确成员准入的前提下，可以更加优化共识算法。 比特币的共识本质上是一种基于概率的算法理论。 ，联盟链的共识采用Raft、PBFT等确定性算法理论。

联盟链通过身份管理和共识算法的结合保证了整个系统的安全性，同时带来了性能上的显着提升。 下面将以Fabric为例介绍三大联盟链的共识算法。

Kafka 共识模式

Fabric的核心共识算法是通过Kafka集群实现的。 简单来说就是通过Kafka算法对所有的交易记录进行排序。 当交易达到最大数量或超时时，进行批量切分，生成新区块。 每个排序节点为每条链维护一个本地日志，生成的块也存储在本地账本中。 当发生崩溃时，由于所有排序节点都维护本地日志，因此可以使用不同的排序节点来分发块，恢复分类帐。

分区、排序、容错是Kafka的三大特性。 具有这种特点的共识算法效率高，但缺点是安全性比较低。 因为Kafka服务是分布式集群，不是去中心化系统，存在一定的风险。

PBFT共识模式

Fabric 的早期版本支持 PBFT 算法。 PBFT是Practical Byzantine Fault Tolerance的缩写，意为实用的拜占庭容错算法。 在R>=3f+1的前提下，系统可以保持安全性和活性。 R为节点总数，f为错误节点数。 PBFT 算法采用三阶段广播协议，使所有正常节点以相同的顺序执行请求。 这三个阶段是预准备、准备和提交。 三个阶段结束后，客户端等待f+1个相同的副本结果作为最终结果。

该算法解决了原有拜占庭容错(BFT)算法效率低下的问题，将算法的复杂度由指数级降低为多项式级，使算法适用于实际系统。 PBFT算法允许不超过1/3的恶意节点； 但是通信复杂度为O(n^2)，通信复杂度太高，可扩展性比较低。 一般系统当节点数达到100左右时，性能下降非常快，尤其是在网络不稳定、延迟高的情况下。

Raft共识模型

Raft算法是由斯坦福大学的Diego Ongaro和John Ousterhout提出的。 它是简化的拜占庭将军问题的解决方案。 它解决了多个决策之间的共识问题。 它本质上是一种基于消息传递的共识算法。 Follower”模型，每个系统节点都有Leader（领导者）、Candidate（候选领导者）和Follower（追随者）三种状态，实现中的主要步骤是master选择和复制日志，一个Raft集群包括2f+1台服务器，允许系统有 f 个有故障的服务器。

Raft共识模式是一种可以实现分布式强一致性的算法。 与Kafka算法相比，Raft算法更加安全。 由于Raft算法不允许恶意节点，因此比PBFT共识更高效； 为了防止恶意节点，可以结合联盟链的用户接入机制，保证整个系统的安全。 超图“空间区块链”部署的Fabric区块链网络环境采用Raft共识模式。

文本/大数据与人工智能研发中心李文龙