基础课第14课共识机制

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第十四课---共识机制

上节课讲了共识和挖矿。 随着数字货币价格的逐步上涨，竞争越来越激烈，挖矿也越来越专业。 各种数字货币的不同共识机制也是了解如何开始挖矿的前提。 下面我将和大家一一探讨目前市面上主流的共识机制。

常见的共识机制包括工作量证明机制（POW，Proof Of Work）、权益证明机制（POS，Proof Of Stake）、委托权益证明机制（DPOS：Delegated Proof of Stake）、瑞波共识算法（Ripple Consensus）、实用的拜占庭算法容错算法（PBFT：Practical Byzantine Fault Tolerance），池验证池。

但请注意，每一种共识机制都有自己的特点和适合的场景，没有优劣之分。

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工作量证明机制（POW，Proof Of Work）

比特币在区块生成过程中使用 POW 机制。 满足要求的区块哈希由N个前导零组成，零的个数取决于网络的难度值。 得到合理的区块哈希需要大量的试算，计算时间取决于机器的哈希速度。 当一个节点提供了一个合理的区块哈希值时，就意味着该节点确实经过了很多次计算尝试。 当然，不能得到计算次数的绝对值，因为找到一个合理的区块哈希值是一个概率事件。 当一个节点拥有全网 n% 的算力时，该节点有 n/100 的概率找到区块哈希。

优势：

1）算法简单，易于实现；

2）节点无需交换额外信息即可达成共识；

3）破坏系统需要付出巨大的代价；

4）完全去中心化，节点自由进出；

缺点：

1）能源浪费；

2）共识周期长，区块确认时间难以缩短；

3）新的区块链必须找到不同的哈希算法，否则将面临比特币的算力攻击；

4）容易分叉，需要等待多次确认；

5）比特币吸引了全球大部分的算力，其他使用POW机制的区块链应用很难获得同等算力来保证自身安全；

6）由于比特币对算力的要求越来越高，算力集中在几个大型矿池，容易受到“51%算力攻击”；

全球比特币算力越来越集中于几个大型矿池，详见下图：

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权益证明机制（POS，Proof Of Stake）

类似于财产存放在银行，这种模式会根据你持有数字货币的数量和时间，为你分配相应的利息。

简单来说，它是一个根据你持有货币的数量和时间给你利息的系统。 在权益证明POS模式中，有一个词叫币龄，每个币每天产生1个币龄。 比如你持有了100个币，一共持有了30天。 那么，此时你的币龄为3000。 这时候如果找到一个POS块，你的币龄就会被清零，每清空365个币龄，你就会从区块中获得0.05个币的利息（假设利息可以理解为年利息rate of 5%)，那么在这种情况下，利息=3000*5%/365=0.41货币，这个很有意思，持有货币就有利息。

它将POW中的算力转化为系统权益。 权益越大，成为下一个记账人的概率就越大。

优势：

1）一定程度上缩短了达成共识的时间；

2）不再需要像POW机制那样消耗大量的能量去挖矿；

缺点：

1）没有专业化，有权益的参与者可能不想参与记账；

2）容易分叉，需要等待多次确认；

3）容易陷入“富者愈富，穷者愈穷”的恶性循环，最终成为富人的游戏

4) 容易受到恶意的非营利性攻击；

Casper（投注共识）是以太坊的下一代共识机制，属于PoS。 Casper 的共识是通过区块而不是像 PoS 那样通过链来达成的。 Casper 与传统 PoS 的不同之处在于，Casper 具有惩罚机制，使得非法节点通过对网络的恶意攻击不仅得不到交易手续费，而且还面临保证金被没收的风险。 有人将Casper这样的挖矿机制称为“虚拟挖矿”。 比特币矿工需要购买矿机参与挖矿，Casper首先要抵押Ether到系统中； 然而，在卡斯帕，不遵守规则的惩罚更为严重。 除了失去挖矿收益外，“矿机”也必须被销毁：抵押的以太坊将被系统没收！

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委托权益证明（DPOS：Delegated Proof of Stake）

共享授权证书机制（也称为受托人机制），DPoS在PoS的基础上将簿记员的角色专业化。 它的原理是让所有持有比特股的人投票，产生101个代表，我们可以理解为101个超级节点或者矿池，这101个超级节点之间的权利是完全平等的。 从某种角度看，DPOS有点像议会制或人民代表大会制。 如果代表未能履行职责（轮到他们时未能产生区块），他们将被除名，网络会选出一个新的超级节点来取代他们。

优点：大大减少参与验证和记账节点数量，可实现秒级共识验证

缺点：整个共识机制还是依赖token以太坊销毁机制什么意思，很多商业应用不需要token的存在

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涟漪共识

这是Ripple特有的共识算法，可以让一组节点基于一个特殊的节点列表达成共识。 初始特殊节点列表就像一个俱乐部以太坊销毁机制什么意思，必须有 51% 的俱乐部成员投票才能接纳新成员。 共识遵循这些核心成员51%的权力，外人没有影响力。 由于俱乐部一开始是“集中的”，它将保持“集中的”状态，如果它开始腐烂，股东们也无能为力。

优点：容易达成共识

缺点：是中心化的，所以共识机制意义不大

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PBFT机制

PBFT是一种状态机副本复制算法，即将服务建模为状态机，状态机在分布式系统的不同节点上进行副本复制。 状态机的每一个副本保存了服务的状态，同时也实现了服务的操作。 所有副本的集合用大写字母R表示，用0到|R|-1的整数表示每个副本。 为了描述方便，假设|R|=3f+1，其中f是可能失败的最大副本数。 虽然可能有超过 3f+1 个副本，但额外的副本除了性能之外不会提高可靠性。

记账人通过权益选择，然后记账人通过拜占庭容错算法达成共识。

优势：

1）专业簿记员；

2）可以容忍任何类型的错误；

3）记账由多人完成，每个区块具有最终性，不会分叉；

4）算法的可靠性有严格的数学证明；

缺点：

1）当1/3以上记账员停止工作时，系统将无法提供服务；

2）当1/3以上记账人联手作恶，其他所有记账人分成两个网络孤岛时，恶意记账人可以导致系统分叉，但会留下密码学证据；

综上所述，PBFT机制的核心点在于最大程度保证系统的最终性，从而使区块链能够应用于真实的金融应用场景。

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池验证池

Pool验证池，基于传统的分布式一致性技术和数据验证机制； 是目前私有链广泛使用的一种共识机制。

优点：无需代币即可工作，基于成熟的分布式共识算法（Pasox、Raft）实现秒级共识验证；

缺点：去中心化程度不如比特币； 更适合多方参与的多中心商业模式。

这六种共识机制是目前区块链的主流。 前四个是针对公链的，后两个是针对联盟链和私有链的。 其中，POW应用最为广泛，也是目前经过验证的最可靠的共识机制。 比特币采用这种机制，其他大多数代币也采用这种方式。 以太坊原本预计会使用POS方式，但因为觉得不靠谱，转而采用POW+POS模式，但请注意，只有1%是POS机制。 PBFT机制和Pool验证池主要针对联盟链和私有链，不适用于公链。

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这节课我主要介绍了六种共识机制算法，基本涵盖了现阶段常用的共识机制算法。 下一节课，我会为大家介绍挖矿的具体实现。