區塊鏈科普：共識算法Pow、Pos、Dpos、拜占庭都是什么？_加密貨幣

無論是Bitcoin、Ethereum還是EOS，作為一個分布式網絡，首先需要解決分布式一致性的問題，也就是所有的節點如何對同一個提案或者值達成共識，這一問題在一個所有節點都是可以被信任的分布式集群中都是一個比較難以解決的問題，更不用說在復雜的區塊鏈網絡中了。

在加密貨幣領域中，共識算法是每個區塊鏈網絡的關鍵要素，它們負責維護這些分布式系統的完整性和安全性。第一個被創建出的加密貨幣共識算法是工作量證明，它由中本聰設計并在比特幣上實現，用于實現拜占庭容錯。

共識算法

共識算法可以被定義為使區塊鏈網絡達成共識的機制。公共區塊鏈是作為分布式系統來構建的，由于它們不依賴于一個中央權威，因此分散的節點需要就交易的有效與否達成一致。這就是共識算法發揮作用的地方，確保所有節點都遵守協議規則并保證所有交易都以可靠的方式進行，即每個貨幣都只能花一次。在深入研究不同類型的共識算法之前，先了解算法和協議之間的差異非常重要。

共識算法與協議

算法和協議作為術語經常會被互換使用，但它們并非同一回事。簡單來說，我們可以將協議定義為區塊鏈的主要規則，而將算法定義為遵循這些規則的機制。除了金融系統中的廣泛應用，區塊鏈技術還可以應用于各種各樣的業務，并且可以適用于不同的用例。但無論什么情景，區塊鏈網絡都將建立在一個協議之上，該協議將定義系統應該如何工作，因此系統的所有不同部分和網絡的所有參與者都需要遵循規則。雖然協議確定了規則是什么，但算法告訴系統采取哪些步驟來遵守這些規則并最終產生所需的結果。例如，區塊鏈的共識算法決定了交易和區塊的有效性。因此，比特幣和以太坊是協議，而工作量證明和權益證明是它們的共識算法。進一步來說，比特幣協議定義了節點間應如何交互，數據應如何在它們之間傳輸，以及區塊驗證成功的要求是什么。另一方面，公式算法負責負責驗證余額和簽名，確認交易，以及實際執行區塊驗證-所有這些都取決于網絡共識。

航天信息車輛信息區塊鏈信用平臺在大連上線:12月14日，由國家稅務總局大連市稅務局牽頭、航天信息（600271）負責開發的“大連市車輛信息區塊鏈信用平臺”舉行上線儀式。在上線儀式現場，交通銀行現場通過車輛信息區塊鏈信用平臺的鏈上信息完成了汽車貸款業務，標志著大連市區塊鏈建設進入實踐應用階段。未來，航天信息將助力大連市稅務局持續推進聯盟成員單位間合作，并不斷拓展聯盟成員單位，增添聯盟鏈的節點，豐富鏈上信息，形成服務于全社會的區塊鏈應用生態。（第一財經）[2020/12/14 15:09:19]

不同類型的共識算法

有幾種類型的共識算法。最常見的是工作量證明和權益證明、PBFT、DPOS。在嘗試平衡安全性與功能性和可擴展性時，每個方案都有各自的優缺點。

實用拜占庭容錯算法

優點：高速、可擴展。缺點：通常用于私有網絡和許可網絡。采用者：HyperledgerFabric、Stellar、Ripple、Dispatch在解釋這種算法之前，我們先來看看分布式計算中的經典問題——拜占庭將軍問題。拜占庭將軍問題是LeslieLamport在10世紀80年代提出的一個假想問題。拜占庭是東羅馬帝國的首都，由于當時拜占庭羅馬帝國國土遼闊，每支軍隊的駐地分隔很遠，將軍們只能靠信使傳遞消息。發生戰爭時將軍們必須制訂統一的行動計劃。然而，這些將軍中有叛徒，叛徒希望通過影響統一行動計劃的制定與傳播，破壞忠誠的將軍們一致的行動計劃。因此，將軍們必須有一個預定的方法協議，使所有忠誠的將軍夠達成一致。而且少數幾個叛徒不能使忠誠的將軍做出錯誤的計劃。也就是說，拜占庭將軍問題的實質就是要尋找一個方法，使得將軍們在一個有版徒的非信任環境中建立對戰斗計劃的共識。在分布式系統中，特別是在區塊鏈網絡環境中，也和拜占庭將軍的環境類似，有運行正常的服務器，還有故障的服務器，有破壞者的服務器。共識算法的核心是在正常的節點間形成對網絡狀態的共識。實用拜占庭容錯是首個提出的該問題解決方案，當前已被HyperledgerFabric采用。PBFT使用了較少的預選定將軍數，因此運行非常高效。它的優點是高交易通量和吞吐量，但是不足之處在于是中心化的，并用于許可網絡。拜占庭容錯系統是指：在一個擁有n臺節點的系統，整個系統，對每個請求滿足如下條件：所有非拜占庭節點使用相同的輸入信息，產生同樣的結果；如果輸入的信息正確，那么所有非拜占庭節點必須接收這個信息，并計算相應的結果。與此同時,在拜占庭系統的實際運行過程中一般假設系統中拜占庭節點不超過m臺，并且對每個請求滿足2個指標：安全性——任何已經完成的請求都不會被更改，它可以在以后請求看到；活性——可以接受并且執行非拜占庭客戶端的請求，不會被任何因素影響而導致非拜占庭客戶端的請求不能執行。拜占庭系統目前普遍采用的假設條件包括:1)拜占庭節點的行為可以是任意的，拜占庭節點之間可以共謀；2)節點之間的錯誤是不相關的；3)節點之間通過異步網絡連接，網絡中的消息可能丟失、亂序、延時到達；4)服務器之間傳遞的信息,第三方可以知曉,但是不能竄改、偽造信息的內容和驗證信息的完整性；此外，PBFT是一種狀態機副本復制算法，即服務作為狀態機進行建模，狀態機在分布式系統的不同節點進行副本復制。每個狀態機的副本都保存了服務的狀態，同時也實現了服務的操作。將所有的副本組成的集合使用大寫字母R表示，使用0到|R|-1的整數表示每一個副本。假設|R|=3f+1，這里f是有可能失效的副本的最大個數。盡管可以存在多于3f+1個副本，但是額外的副本除了降低性能之外不能提高可靠性。

動態 | 卡樂比麥片將運用區塊鏈技術進行溯源:據新廣網3月22日報道，卡樂比與天貓國際合作正式啟動“全球原產地溯源計劃”，計劃利用阿里巴巴集團區塊鏈等先進技術、大數據來跟蹤監測供應鏈體系，通過技術解決食品安全的問題。[2019/3/22]

工作量證明

工作量證明是第一個被建立的共識算法。它被比特幣和許多其他加密貨幣所采用。工作量證明算法是挖礦過程的重要組成部分。工作量證明挖礦涉及到大量哈希的嘗試，因此更多的算力意味著每秒更多的嘗試。換句話說，哈希率的礦工有更多機會找到下一個區塊的解。如果網絡的分布式節點達成共識并且確認礦工提供的塊哈希是有效的工作證明，則工作量證明共識算法確保該礦工僅能夠驗新區塊里的交易并將其添加到區塊鏈。

延遲工作量證明

優點：節能；安全性增加；可以通過非直接提供Bitcoin，添加價值到其它區塊鏈，無需付出Bitcoin交易的代價。缺點：只有使用PoW或PoS的區塊鏈，才能采用這種共識算法；在“公證員激活”模式下，必須校準不同節點的哈希率，否則哈希率間的差異會爆炸。采用者：Komodo類型：協同型共識DPoW是建立在PoB與DPoS基礎上的新一代共識機制，借鑒了前輩共識機制的設計理念和運行的經驗。解釋DPoW前，需要先說明什么叫PoB。PoB叫做焚燒證明機制，是一種通過焚燒自己手中的代幣來表決誰擁有對網絡的領導地位的承諾。焚燒代幣的數量越多，能獲得網絡領導地位的概率越高。PoB是分布式共識的一種方法，也是工作量證明機制的替代方法。它也可以用來引導一種加密貨幣。在基于DPoW的區塊鏈中，礦工挖礦所獲得的不再是獎勵的代幣，而是可以焚燒的“wood”——燃木。礦工使用自己的算力，通過哈希算法，最終證明自己的工作量之后，獲取對應的wood，wood不可交易。當wood積攢到一定量之后，可以前往燃燒場地燃燒wood。通過一組算法計算后，燃燒較多wood的人或者BP或者一組BP可以獲取下個事件段出塊的權利，成功出塊后獲取獎勵。由于一個時間段內可能會有多人燃燒wood，下一個時間段出塊的概率由自己燃燒wood數量決定。焚燒的越多，下一段時間可以獲得出塊權利的概率越高。這樣可以讓算力和出礦權利達到一個平衡。不一定非要龐大算力的礦工、礦池才能成為區塊生產者。小礦工也有春天，只要辛勤勞動，積攢一定數量的wood，也能出塊。保證效率，人人參與，最平民化的參與方式保證了去中心化的理念，避免擁有算力的組織或者持幣大戶把持網絡。PoW系統中有兩種類型的節點：公證人節點和正常節點。64個公證人節點是由dPoW區塊鏈的權益持有者選舉產生的，它們可從dPoW區塊鏈向所附加的PoW區塊鏈添加經公證確認的塊。一旦添加了一個塊，該塊的哈希值將被添加到由33個公證人節點簽署的Bitcoin交易中，并創建一個哈希到Bitcoin區塊鏈的dPow塊記錄。該記錄已被網絡中的大多數公證人節點公證。為避免公證人節點間在挖礦上產生戰爭，進而降低網絡的效率，Komodo設計了一種采用輪詢機制的挖礦方法，該方法具有兩種運行模式。在“無公證人”模式下，支持所有網絡節點參與挖礦，這類似于傳統PoW共識機制。而在“公證人激活”模式下，網絡公證人使用一種顯著降低的網絡難度率挖礦。“公證人激活”模式下，允許每位公證人使用其當前的難度挖掘一個區塊，而其它公證人節點必須采用10倍難度挖礦，所有正常節點使用公證人節點難度的100倍挖礦。

聲音 | 工業和信息化部相里朋：區塊鏈技術在司法方面的應用仍有不足:據鋅鏈接消息，工業和信息化部電子第五研究所區塊鏈主管、高級工程師相里朋在接受采訪時表示，區塊鏈技術只能防止進行存證固化后的電子證據不被篡改，存證固化前的電子證據造假問題并不能解決。且在現實世界中，很多行為并不能被區塊鏈記錄，信息是人為寫入區塊鏈的。西湖區檢察院的“邊取證邊上鏈”案例便是如此。此外，在司法區塊鏈搭建的過程中，如何保證節點的可信度與平衡也是有待考究的問題。[2019/2/27]

權益證明

作為工作量證明的替代方案，權益證明共識算法在2011年被提出。盡管工作量證明和權益證明有著相同的目標，但它們存在根本的差異性特殊性。特別是驗證新塊的過程。簡單來說，權益證明共識算法用一種機制來取代工作量證明的挖礦，期中區塊根據參與者的質押的幣而驗證。每個區塊的驗證者由本身的加密貨幣投資決定，而不是分配的算力數量。每個權益證明系統可以以不同的方式來實現該算法，但是通常來說，區塊鏈由隨機的選舉過程保護，該過程考慮了節點的財富、幣齡以及隨機因素。以太坊區塊鏈目前基于工作量共識算法，但是最終Casper協議將被推出以將網絡從工作量共識切換到權益共識，以嘗試增加網絡的可擴展性。

DPOS(DelegatedProof-of-Stake)委托權益證明

前面介紹的權益證明算法可以將整個區塊鏈網絡理解為一家公司，出資最多、占比最大的人有更多的機會得到話語權；對于小股東來說，千分之幾甚至萬分之幾的股份很難有什么作為，只能得到股份帶來的分紅和收益。但是在這里介紹的委托權益證明能夠讓每一個人選出可以代表自己利益的人參與到記賬權的爭奪中，這樣多個小股東就能夠通過投票選出自己的代理人，保障自己的利益。整個網絡中選舉出的多個節點能夠在1s中之內對99.9%的交易進行確認，使用委托權益證明的EOS能夠每秒處理幾十萬筆交易，同時也能夠比較監管的干預。在委托權益證明中，每一個參與者都能夠選舉任意數量的節點生成下一個區塊，得票最多的前N個節點會被選擇成為區塊的創建者，下一個區塊的創建者就會從這樣一組當選者中隨機選取，除此之外，N的數量也是由整個網絡投票決定的，所以可以盡可能地保證網絡的去中心化。

現場|白碩：互聯網之痛，區塊鏈之幸:金色財經12月17日現場報道，今日，由數字資產研究院主辦，零壹財經和石榴財經承辦的2018國際區塊鏈數學科學會議在京舉行。中科院計算所博士生導師白碩從應用場景角度分析了數學與區塊鏈的結合。他指出，數據使用權是可以交易的，但數據使用權自身存在問題。而這一問題配合著區塊鏈和大數據技術，會得到很好的解決。[2018/12/17]

授權拜占庭容錯算法

優點：快速；可擴展。缺點：每個人都爭相成為根鏈。其中可能存在多個根鏈。采用者：Neo。同樣是為了解決拜占庭將軍問題，「授權拜占庭容錯」機制，是一種在NEO區塊鏈內部實現的保證容錯的共識算法。在這個機制當中，存在兩個參與者，一個是專業記賬的“記賬節點”，一個是系統當中的普通用戶。普通用戶基于持有權益的比例來投票決定記賬節點，當需要通過一項共識時，在這些記賬節點中隨機推選出一名發言人擬定方案，然后由其他記賬節點根據拜占庭容錯算法，即少數服從多數的原則進行表態，如果超過66%的節點表示同意發言人方案，則共識達成；否則，重新推選發言人，重復投票過程。所以說，dBFT機制實際使用了一種迭代共識的方法來保證系統達成一致決定。然而，這種機制的缺點在于，當系統中有超過三分之一的記賬節點停止工作時，整個區塊鏈網絡將無法提供正常的服務；當超過三分之一的節點聯合作惡時，區塊鏈將有可能發生分叉。

權威證明

優點：節能、快速。缺點：略為中心化；雖然可用于公有區塊鏈，但是通常用于私有區塊鏈和許可區塊鏈。使用者：POA.Network、EthereumKovantestnet、VeChain。類型：協同型共識。基于PoA的網絡、事務和區塊，是由一些經認可的賬戶認證的，這些被認可的賬戶稱為“驗證者”。驗證者運行的軟件，支持驗證者將交易置于區塊中。該過程是自動的，無需驗證者持續監控計算機，但需要維護計算機不妥協。驗證者必須滿足以下三個條件：其身份必須在鏈上得到正式驗證，信息可在公有可用域中交叉驗證；其資格必須難以獲得，這樣所得到的驗證塊的權利才彌足珍貴；建立權威的檢查和程序必須完全統一。使用PoA，每個個體都具有變成驗證者的權利，因此存在一旦獲取就保持驗證者位置的動機。通過對身份附加一個聲譽，可以鼓勵驗證者去維護交易的過程。因為驗證者并不希望讓自己獲得負面聲譽，這會使其失去來之不易的驗證者地位。

聲音 | 香港交易所李小加：將在北向股票互通交易中使用區塊鏈平臺:據彭博社消息，香港交易所與Digital Asset將建立區塊鏈交易平臺。香港交易所李小加表示，將在北向股票互通交易中使用這個區塊鏈平臺。[2018/10/30]

恒星共識

優點：去中心化控制；低延遲；靈活的信任機制；漸進安全。采用者：Stellar恒星共識基于聯邦拜占庭共識。恒星共識協議提供了一種不依賴閉合系統實現準確記錄金融交易而達成共識的方法。SCP具有一組可驗證的安全屬性，這些屬性根據如何安全地保持活力而做了優化。一旦出現分區或不當行為節點，它將會終止網絡過程，直至達成共識。SCP同時具備四種屬性：去中心控制、低延遲、靈活信任機制和漸進安全。

為什么共識算法對于加密貨幣至關重要

就如同前面所說，共識算法對于維護加密貨幣網絡的完整性和安全性至關重要。它們提供了一種分布式節點就正確版本的區塊鏈達成共識的方法。對當前的區塊鏈狀態達成共識對數字經濟系統的正常運作至關重要。工作量證明共識算法被認為是拜占庭將軍問題的最佳解決方案之一，它可以將比特幣創建為拜占庭容錯系統。這意味著比特幣對攻擊具有很強的抵抗力，例如51％的攻擊。不僅僅因為網絡是去中心化的，而且還因為工作量證明算法。挖礦過程中涉及的高成本使礦工很難并且不太可能投入資源來破壞網絡。

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