區塊鏈:從十大共識機制看加密經濟的發展與未來

第一章共識機制的概念和作用

1.1概念：分布式賬本正常運行的核心規則?

由于加密貨幣多數采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，統一區塊鏈的版本，并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，并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。

1.2作用：解決信任問題，決定新區塊的生成和維護

共識機制之所以在區塊鏈技術中能夠處于核心位置，最大的作用在于它從非對稱加密和時間戳等密碼學技術的角度制定好一套規則，所有參與者及其參與方式都必須遵守這套規則，且規則透明、無法人為隨意修改，因此，無需第三方權威機構的背書，它也能夠發動全網的節點去共同監督、去記錄所有的交易情況，并以代碼的形式公布，有效地實現價值信息轉移，解決或者更確切的說是很大程度上改善了兩個毫不相干、彼此互不信任的陌生人之間的信任問題，畢竟信任一個客觀技術比信任一個主觀的人風險更小。

另一方面，在區塊鏈系統中，由于點對點網絡下存在較高的網絡延遲性，使得各個節點所觀察到交易事務的先后順序出現一定差異，因此共識機制可以在很短一段時間內，對這段時間內發生的交易事務進行先后順序達成共識，來決定在區塊鏈系統中誰負責生成新區塊，以及維護區塊鏈的有效統一。

1.3?共識算法的主流模型

區塊鏈系統建立在P2P網絡之上,其全體節點的集合可記為PP,一般分為生產數據或者交易的普通節點，以及負責對普通節點生成的數據或者交易進行驗證、打包、更新上鏈等挖礦操作的"礦工"節點集合(記為M),兩類節點可能會有交集；礦工節點通常情況下會全體參與共識競爭過程,在特定算法中也會選舉特定的代表節點、代替它們參加共識過程并競爭記賬權,這些代表節點的集合記為D;D;通過共識過程選定的記賬節點記為A.A.共識過程按照輪次重復執行,每一輪共識過程一般重新選擇該輪的記賬節點.共識過程的核心是"選主"和"記賬"兩部分,在具體操作過程中每一輪可以分為選主(Leaderelection)、造塊(Blockgeneration)、驗證(Datavalidation)和上鏈(Chainupdation,即記賬)4個階段.如圖1所示,共識過程的輸入是數據節點生成和驗證后的交易或數據,輸出則是封裝好的數據區塊以及更新后的區塊鏈.4個階段循環往復執行,每執行一輪將會生成一個新區塊。

圖1區塊鏈共識過程的基礎模型

來源：袁勇,倪曉春,曾帥,王飛躍，《區塊鏈共識算法的發展現狀與展望》

>第1階段：選主

選主是共識過程的核心,即從全體礦工節點集MM中選出記賬節點AA的過程:我們可以使用公式f(M)→f(M)→AA來表示選主過程,其中函數ff代表共識算法的具體實現方式.一般來說,|A|=1,|A|=1,即最終選擇唯一的礦工節點來記賬.

PayPal將為特定用戶推出加密貨幣中心:金色財經報道，最新的PayPal條款和條件詳細說明了有興趣使用該平臺加密貨幣的加密用戶的先決條件。加密貨幣中心是PayPal將自身重塑為加密貨幣包容性平臺的關鍵。據該公司稱，該服務將允許銷售和購買加密貨幣。此外，它將促進使用加密貨幣銷售后存儲的資金通過PayPal進行購買付款。[2023/8/14 16:24:57]

>第2階段：造塊

第一階段選出的記賬節點根據特定的策略將當前時間段內全體節點PP生成的交易或者數據打包到一個區塊中,并將生成的新區塊廣播給全體礦工節點MM或其代表節點D.D.這些交易或者數據通常根據區塊容量、交易費用、交易等待時間等多種因素綜合排序后,依序打包進新區塊.造塊策略是區塊鏈系統性能的關鍵因素,也是貪婪交易打包、自私挖礦等礦工策略性行為的集中體現.

>第3階段：驗證

?礦工節點MM或者代表節點DD收到廣播的新區塊后,將各自驗證區塊內封裝的交易或者數據的正確性和合理性.如果新區塊獲得大多數驗證/代表節點的認可,則該區塊將作為下一區塊更新到區塊鏈.

>第4階段：上鏈

記賬節點將新區塊添加到主鏈,形成一條從創世區塊到最新區塊的完整的、更長的鏈條.如果主鏈存在多個分叉鏈,則需根據共識算法規定的主鏈判別標準,來選擇其中一條恰當的分支作為主鏈.

第二章共識機制的緣起

2.1??兩軍問題與拜占庭將軍問題

2.1.1兩軍問題

圖2兩軍問題示意圖

選自袁勇,倪曉春,曾帥,王飛躍，《區塊鏈共識算法的發展現狀與展望》，自動化學報,2018,44(11):2011-2022

如圖所示，藍軍分支1、2部分別駐扎兩邊坡上，不能夠遠程溝通，而白軍恰好駐扎在兩軍中間必經之路，。假設白軍比藍軍兩支部隊的其中任意一支都要強大，但不如兩支藍軍聯合起來強大。如果藍軍兩支部隊需要聯合同時進攻，就需要相互通信，但白軍處在中間必經之路上，無法確認藍軍信使是否真的將進攻信號送到對面，也暫時不考慮信息是否有被篡改的可能性。在此情況下，由于相互之間沒法達到完全確認，最終都不能達成有效共識，形成“兩軍悖論”。

2.1.2拜占庭將軍問題

圖3拜占庭將軍問題示意圖

由于當時的拜占庭羅馬帝國國土遼闊，為了更好的達到防御的目的，在帝國周圍分散駐扎了軍隊，每個軍隊都相隔很遠，只能靠信使傳遞消息。在戰爭期間，所有的將軍必須達成一致，或者以大多數一致作為決定，選擇是否攻打敵人陣營。但是，由于完全依賴于人，如果存在有將軍謀反或傳令官傳遞錯誤信息的情況，如何保證忠誠的將軍在不受叛徒的影響下達成一致呢？于是有了拜占庭問題。

兩軍問題和拜占庭將軍問題都在闡述一個問題：在信息交互不可靠的情況下，達成共識、協同行動存在很大的困難。而拜占庭將軍問題也更像是“兩軍悖論”的泛化。

以太坊上海升級后已有近24萬枚ETH解鎖提取:金色財經報道，據 Lookonchain 監測，以太坊上海升級后已有近 24 萬枚 ETH 解鎖提取，價值超 5 億美元。前 3 大提款地址分別為：

1. Lido：提取 152,780 枚 ETH (63.69%)。

2. Figment：提取 7,135 枚 ETH (2.97%)。

3. Celsius：提取 6,521 枚 ETH (2.72%)。[2023/4/14 14:03:16]

從計算機網絡的角度來看，兩軍問題和拜占庭問題都是計算機網絡課程的常見內容：網絡上的兩個節點直接通信存在失敗的可能性，因此TCP協議不可能完全保證兩個終端網絡自始至終百分百保持一致的狀態。但是，共識機制可以利用經濟激勵等其他方式去降低這種不確定性到大部分人可以接受的程度。

正是因為存在兩軍問題和拜占庭問題這類問題，所以共識機制開始呈現出其發展的必要性。

2.2共識機制發展史

2.2.1共識機制分類

由于不同的區塊鏈項目類型對信息記錄和區塊的生成有不同的要求，以及隨著區塊鏈技術的發展對共識機制的不斷改善，目前一共約有超過30種共識機制。這些共識機制可以按照其拜占庭容錯性能主要分成兩類：拜占庭容錯系和非拜占庭容錯系。

表1共識機制分類

來源：袁勇,倪曉春,曾帥,王飛躍，《區塊鏈共識算法的發展現狀與展望》

2.2.2共識機制發展沿革

?>?共識算法的發展

根據共識算法的提出時間，我們可以相對清晰的看到共識算法的發展。

圖4共識算法發展沿革

來源：網絡資料整理

圖5區塊鏈共識算法的歷史演進

共識算法為區塊鏈的共識機制奠定了基礎。最初，共識算法的研究主要是計算機科學家和計算機教授用于改善垃圾郵件問題或是學術探討。

比如1993年美國計算機科學家、哈佛大學教授CynthiaDwork就為了解決垃圾郵件問題，首次提出了工作量證明的思想；1997年，英國密碼學家AdamBack為了解決垃圾郵件問題，也獨立地提出并于2002年正式發表了用于哈希現金的工作量證明機制；1999年，MarkusJakobsson正式提出了"工作量證明"的概念，為后續中本聰對比特幣共識機制的設計奠定了基礎。

第三章常見共識機制

圖6相對主流的共識機制歸納

來源：HasibAnwar,?“ConsensusAlgorithms：TheRootOfTheBlockchainTechnology”

上圖為一名極客HasibAnwar歸納的其中14種相對主流的共識機制，包括PoW、PoS、DPoS、LPoS、PoET、PBFT、SBFT、DBFT、DAG、Proof－of－Activity、Proof－of－Importance、Proof－of－Capacity、Proof－of－Burn、Proof－of－Weight。

隱私身份安全公司443ID完成800萬美元種子輪融資:6月10日消息，隱私身份安全公司 443ID 宣布完成 800 萬美元種子輪融資，本輪融資由 Bill Wood Ventures 和 Silverton Partners 領投。該公司通過構建 OSINT 身份圖在跨越身份和訪問管理、網絡安全、加密貨幣、廣告技術和開源情報 (OSINT) 領域提供服務。443ID 能夠實時提供商業風險情報的全面視圖，包括集成第三方數據，以透明且經濟實惠的方式對用戶進行身份驗證、注冊或授權并做出更多決策。[2022/6/10 23:05:40]

接下來，我們主要針對目前區塊鏈最主流的十大共識機制進行介紹分析。

>?POW

-?概念：

工作量證明機制。即對于工作量的證明，意味著消耗一定的計算機時間來確認做過的工作量。

-?實現原理：

圖7PoW工作量證明原理

以比特幣為代表的PoW使用的是SHA-256算法函數，是密碼哈希函數家族中輸出為256位的哈希算法：

工作量證明的輸出=SHA256(SHA256(區塊頭));

if，證明工作量完成;

if,變更隨機數，遞歸i的邏輯，繼續與目標值比對。

新難度值=舊難度值*

目標值=最大目標值/難度值

最大目標值為一個固定數，若過去2016個區塊花費時長少于20160分，那么這個系數會小，目標值將會被調大些，反之，目標值會被調小，因此，比特幣的難度和出塊速度將成反比列適當調整出塊速度。

-?代表應用：BTC等

?>POS

-?概念：

權益證明。即依據各人持幣權益來達成共識的機制，持幣越多越久，獲得獎勵的概率越大。

-?實現原理：

PoS實現算法公式：hash(block_header)=<target*coinage

幣齡計算公式：coinage=幣的個數*幣的剩余使用時間

其中，coinage表示幣齡，這將意味著，幣齡越大，越容易得到答案。而其中幣齡的計算是通過挖礦者擁有的幣乘以每個幣的剩下使用時間得到，這也將意味著擁有的幣越多，也越容易得到答案。這樣，pos解決了pow中浪費資源的問題，同時挖礦者不可能擁有全網51%的幣，所以也解決了51%攻擊的問題。

-?代表應用：ETH等

>DPoS

-?概念：

委托權益證明。即持有幣種的投資者通過投票選舉超級節點來運營整個網絡，類似于人民代表大會制度。

Arbitrum：Rinkeby測試網遷移至Nitro已順利完成:7月29日，據Arbitrum官方消息，Arbitrum Rinkeby測試網已順利遷移至Nitro。此前報道，7月25日，根據升級計劃，測試網升級遷移后，Arbitrum One將升級至Nitro堆棧。[2022/7/29 2:45:36]

-?實現原理：

DPOS算法被分為了兩部分。選舉一組區塊生產者和調度生產。

選舉：只有擁有被選舉權的永久節點才能夠被選舉，最終只有前N名見證人可以被選舉出來。這N個人都要獲得50%以上的票數才能夠順利當選，除此之外，這個名單會按照固定的時間間隔進行重新選舉。

調度生產：在正常情況下，區塊生產者輪流每3秒產生一個區塊。假設沒有生產者錯過自己順序，那么他們生產的鏈條勢必是最長的鏈條。見證人生產區塊時，每2s需要產生一個區塊，如果超過了規定的時間，那么當前見證人就會失去生產權利而轉交給下一個人。那么見證人不僅沒有報酬，還可能會失去見證人身份。

-?代表應用：EOS等

>DPoW

-?概念：

延遲工作量證明。建立在PoB與DPoS基礎上的新一代共識機制。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。這樣可以讓算力和出礦權利達到一個平衡。

-?實現原理：

在基于DPoW的區塊鏈中，礦工mining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，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。

兩個節點類型：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，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。

前Meta全球支付產品設計主管Henry Cho加入Immutable X:6月27日消息，以太坊NFT二層擴容方案Immutable X聯合創始人Robbie Ferguson在Twitter上宣布，前Meta全球支付產品設計主管Henry Cho加入ImmutableX，將負責Immutable X協議產品設計。[2022/6/27 1:34:34]

圖8DPoW在沒有公證人節點的運工作流程

-?代表應用：Komodo等

>PBFT

-?概念：

實用拜占庭容錯算法。即將算法復雜度由指數級降低到多項式級，使得拜占庭容錯算法在實際系統應用中變得可行。

-?實現原理：

圖9PBFT的算法原理

首先，客戶端向主節點發送請求調用服務操作,然后主節點通過廣播將請求發送的其他副本。所有副本都執行請求并將結果發回客戶端。客戶端需要等待f+1個不同副本節點返回相同的結果，作為整個操作的最終結果。

兩個限定條件：1、所有節點必須是確定性的。也就是說，在給定狀態和參數相同的情況下操作執行的結果必須相同。2、所有節點必須從相同的狀態開始執行。在這兩個限定條件下，即使有失效的副本節點存在，PBFT算法對所有非失效副本節點的請求執行總順序達成一致，從而保證安全性。

-?代表應用：TendermintConsensus等

>DBFT

-?概念：

授權拜占庭容錯。改進的拜占庭容錯算法，使其能夠適用于區塊鏈系統。該系統由節點、委托人和發言人組成。是一種在NEO區塊鏈內部實現的保證容錯的共識算法。

-?實現原理：

在這個機制當中，存在兩個參與者：專業記賬的“記賬節點”和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。

-?代表應用：Neo等

>PoA

-?概念：

權威證明。即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。

-?實現原理：

三個條件：

1、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；

2、其資格必須難以獲得，這樣所得到的驗證塊的權利才足夠珍貴；3、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。

-?代表應用：VeChain等

>DAG

-?概念：

有向無環圖。DAG中每個新加入的單元不僅僅只加入到長鏈區塊，而是加入之前的所有區塊，驗證每一個新單元并且確認其父單元以及父單元的父單元，慢慢的可以達到創世單元，并且將其父單元的哈希包含到自己的單元內，隨著時間的遞增，所有交易的區塊鏈相互連接形成圖狀結構。

-?實現原理：

????在DAG的網絡中，每一個節點都可以是交易者和驗證者，因為DAG中的交易處理，正是由交易節點本身來共同完成。以IOTA為例，IOTA的Tangle賬本在保證高速處理交易的同時，并不需要支付交易費用。不過并不代表交易是免費的，因為在這個賬本中，每一筆交易的發起都需要先驗證另外兩筆隨機交易，并將自己發起的交易指向這兩筆交易，這樣在區塊鏈上礦工所承擔的責任就分配給了所有的交易者。DAG這種處理交易的方式，可稱作為異步處理模式。

圖10傳統區塊鏈結構與DAG結構區別

-?代表應用：IOTA等

>?PoET

-?概念：

消逝時間量證明。即通常用于許可區塊鏈網絡，它可決定網絡中獲得區塊者的挖礦權利。許可區塊鏈網絡需要任何預期參與者在加入前驗證身份。根據公平彩票系統的原則，每個節點具有同等的可能成為勝出者。

-?實現原理：

網絡中的每位參與節點都必須等待一個隨機選取的時期，首個完成設定等待時間的節點將獲得一個新區塊。區塊鏈網絡中的每個節點會生成一個隨機的等待時間，并休眠一個設定的時間。最先醒來的節點，即具有最短等待時間的節點，喚醒并向區塊鏈提交一個新區塊，然后廣播必要的信息到整個對等網絡中。同一過程將會重復，以發現下一個區塊。

兩個因素：

1、參與節點在本質上會自然選取一個隨機時間，而非刻意選取；

2、勝出者的確完成了等待時間。

-?代表應用：HyperLedgerSawtooth等

>PoSV

-?概念：

權益流通證明。由Reddcoin提出，借鑒經濟學“貨幣流通速度”的概念，主要是根據節點參與競爭的幣齡分配記賬權。

-?實現原理：

PoSV同樣根據節點參與競爭的幣齡分配記賬權，但是將幣齡的計算公式修改為增長率指數衰減的函數。以Reddcoin為例，Reddcoin將幣齡增長率的半衰期設為1個月。假設單位通證在第1天能夠積累1CoinDay幣齡，在第31天只能積累0.5CoinDay幣齡，第61天只能積累0.25CoinDay幣齡，以此類推。通過這種方式促使節點在持有通證一段時間后用它進行一筆交易，從而重新開始計算幣齡，提高網絡中通證的流通速度。

-?代表應用：Reddcoin等

表2目前主流共識機制優劣對比

?來源：網絡資源整理

第四章共識機制的選擇與現狀總結

4.1如何挑選一個適合自己的共識機制

步驟1：判斷最終結果是否很重要

對某些應用程序來說，最終結果非常重要。如果你在新建一個新的能夠支持非常小額的支付系統，那么交易結果發生變化是可以接受的。同樣，如果你在新建一個分布式社交網絡，100%保證狀態立即更新也不是特別必要。相反，如果你在新建一個分布式協議，那么最終結果對用戶體驗就至關重要。比如，比特幣大約有1個小時的最終確認時間，以太坊有大概6分鐘的最終確認時間，而TendermintCore僅1秒的最終確認時間。

步驟2：判斷申請流程需要有多快

如果你正在構建一個游戲，如果需要在每個動作前等待15秒是否合理？由于以太坊區塊處理時間很低，游戲建立在上面會因為以太坊的吞吐量導致用戶體驗較差。但是，轉讓房屋產權的申請就完全可以在以太坊上運行。使用CosmosSDK構建一個允許開發人員使用TendermintCore開箱即用的應用，它具有較短的區塊處理時間和高吞吐量，能夠達到每秒處理10,000交易事務。你可以通過為應用程序設置最大驗證器數來達到減少需要的通信開銷并加快應用速度的目的。

步驟3：判斷應用對去中心化的需求程度

一些應用如游戲可能并不要求非常高的作為去中心化副產品的審查阻力。理論上，驗證者能夠在游戲中創建卡特爾并逆轉交易結果以獲取利潤真的重要嗎？如果不重要，諸如EOS的區塊鏈可能更適合你的需求，因為交易速度快且無需支付費用。但是，一些如自治銀行類的應用越強大就會越分散。盡管以太坊被認為是分散的，但有些支持者聲稱以太坊的礦池是平臺中心化的重要一點，雖然實際上僅有11個驗證器。建立自己的區塊鏈而不是在智能合約平臺上構建的其中一大好處是你能夠定制應用完成驗證的方式。但是，構建自己的區塊鏈很難，因此CosmosSDK就非常有用，可以輕松構建自己的區塊鏈并定制自己需要去中心化程度。

步驟4：判斷系統是否可以終止

如果你正在新建一個類似于分布式共享乘車服務的應用，那么確保全天候服務必須是首要優先級，即使在會計中偶爾會出現類似于交易上的錯誤。TendermintCore的其中一個屬性是，如果網絡驗證者之間存在分歧，那么網絡將暫停運營而不是進行錯誤的交易。像去中心化交易所這類的應用要求不惜一切代價來保障正確性——如果出現問題，去中心化交易所暫停交易遠比可能出現交易問題好得多。

總結：優劣權衡后選擇適合的共識算法

總而言之，沒有單一的最佳共識算法，每個共識算法都有自身存在的意義和優勢，你需要有自己的判斷和取舍。但是，通過了解共識機制的相關流程，包括提案和協議，并建立一個框架來考慮你的應用可能需要的共識算法類型，就應該能夠做出更明智的決定。

4.2共識機制未來發展

共識算法是區塊鏈的核心要素之一，雖然文中列舉了超過30種共識機制，但還有很多小眾的共識機制可能并未加以討論。而隨著區塊鏈技術逐漸被大眾所知且接受，未來可能會有越來越多的更新更優良的共識算法出現，可能是全新的共識算法，更多的應該是對現階段共識算法的改良和優化。

在經歷過16年和17年百花齊放的時期后，目前的共識算法沒有一個公認的評價標準，只是一般更偏向公平性和去中心化的程度，以及部分技術相關問題，比如耗能、可拓展性、容錯性和安全性等。但區塊鏈技術必須要結合需求和應用場景落地，且共識機制算法和激勵機制密不可分，如何針對自己項目的特性定制適合的共識機制以及優化目前的共識機制，將成為未來共識機制研究的發展方向。

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