共識機制是區塊鏈的靈魂。就像一個國家的法律，維系著區塊鏈世界的正常運作。區塊鏈最早的共識是作業量證明（POW），位元幣和以太坊都是采用的作業量證明。現在流行的一個趨勢是權益證明（POS）。以太坊2.0就會采用 POS 共識，還有最新的公鏈如 Tezos，Polkadot，Algorand 等等。權益證明還包括委托權益證明（DPOS），代表公鏈有EOS。大多其他公鏈采用的共識都是從 POW 或者 POS 中衍生出來。我們暫時把聯盟鏈共識不放到討論范疇中，從 POW 到 POS，來研究一下區塊鏈共識的發展。
作業量證明
區塊鏈共識的目的是決定出塊權。作業量證明的基本思想就是用算力來決定出塊權。如果你能第一個解出 POW 的計算難題，你就可以出塊。在每一個時間點，大家都在算題，然后在差不多的時間里，大家把題算出來，再把計算結果發布出去。這其實就是一個投票的程序。發布的塊就是投的票。最后被選中的票，就是來自于那個最快算出結果的礦機。至于沒有發布塊的節點，相當于棄權了。作業量證明的一個最大優點，就是所投的票和投票權是系結的。而且一旦投票成功以后，即使是投票者本人也修改不了投票的內容。因為一般在出塊前，節點就已經打包好一個塊，然后才對這個塊做作業量證明，做完后馬上投出去。這個時候打包的塊已經沒有辦法修改了。
礦機跑一天可以投出很多票，但是不可以把所有的算力集中到一個塊上；另一方面，如果想要回滾掉自己出的塊，也必須付出和回滾別人的塊時所需的同等的算力。這是不可能的，所以 POW 共識是非常安全的。
基于POW機制去做共識演算法的最主要缺點就是延遲比較高，因為我們把交易打包到區塊以后，還要完成一個作業量證明，這個區塊才能稱為候選區塊。作業量證明的時間還不能設得特別短，否則容易分叉。于是，至少從打包好區塊到做完區塊的作業量證明這一段時間內，交易是能被確認的。
作業量證明的時間為什么不能設定太短？因為在網路條件一定的情況下，廣播速度是有限制的。如果出塊速度設定得比廣播速度快，使得節點在收到別人新出的塊之前，自己就挖到了，這樣就會出現分叉。如果這個差距比較大的話，分叉就會特別多。分叉多會降低安全性。我們說對位元幣的攻擊需要51%的算力。這個前提是大家都集中在同一條鏈上。好人有49%，壞人要有51%就能攻擊。但如果真的出現頻繁分叉的情況，比如說我在分叉A上有30%的算力，在分叉B上有40%的算力。這個時候壞人想把分叉B給回滾改到分叉A，只需要11%算力就可以。只要比全世界的誠實的算力最多的兩個分叉之間的差稍微多一點，攻擊者就可以讓最長鏈在這兩個上面分支上跳來跳去。大大降低安全性。
POW 機制另一個被人詬病的點就是能耗特別高，不環保。因為哈希運算耗電。所以，要想讓區塊鏈支持大規模的商用，POW 需要改變。所以，就有了 POS。
權益證明
權益證明基本的思想是：把持有的幣做質押，來獲取記賬權和投票權。投票權和持幣的數量是成正比的，一幣一票。錢越多，投票的權力就越大。
跟 POW 不知道有多少礦機參與挖礦不同，POS 協議必須知道所有共識參與者的數量和它們的持幣量，然后去分配打包權和投票權。另外在 POW 里面，打包權和投票權是一起的，但是在 POS 里，這兩者是可以分開的。分配完打包權以后，拿到打包權的人就有資格出一個候選區塊。這個區塊里面包含要處理的交易，并且有他自己的簽名。候選區塊并不意味著就會被馬上加入共識，在廣播候選區塊以后還需要由那些有投票權的人去投票。如果能得到多數票的支持，候選區塊就會最終被加入共識，變成一個有效的區塊。當然投票的程序我們可以用很多方式執行，比較常見的就是用少數服從多數的共識演算法。因為現在我們知道一共有多少人有資格投票、一共有多少票，所以用這個共識演算法我們很容易算出來多數，比如超過1/2或者2/3。
在去中心化機制中，我們需要選舉誰負責打包，誰負責投票。有時候為了效率，大家會先選出一個比較小的委員會，然后由他們負責投票。這樣的委員會通常是隨機選取的，而且為了公平性還要經常輪換。或者還可以用代理權益證明的 DPOS 機制，選取相對固定的委員會負責打包和投票。這樣雖然損失一些去中心化程度，但是可以大大提高效率。
在 POS 系統中，如果檢測到有參與者違反了 POS 共識的協議，比如一票多投，或者放棄投票，就可以對他們做出一些懲罰。凡是對系統的安全性造成影響的行為都應該收到懲罰。
權益證明的優缺點
相對 POW，權益證明有哪些優點呢。
第一個優點：礦工和持幣者的動機是一致的。POS 的礦工都必須持幣，在整個的生態環境里減少了一個不持幣單靠機器來挖礦的角色。在 POW 的社區中，持幣者、開發者、以及礦工三方的利益不是完全一致的，經常會有沖突。到了POS 中，至少礦工和有錢人的利益更為一致了。在一定程度上沖突和分歧就減少了。
第二個優點：POS 的延遲可以做得非常低，確認可以非常快。在 POS 系統里，拿到一個交易就可以馬上打包，打包以后就可以廣播，這個時間是不需要等待的，不像 POW，必須等至少做一次哈希運算的時間。實際上，POS 共識的延遲主要是受限于網路和參與投票的人數。網路越慢，投票的人越多，等待的時間也就越久。
第三個優點：POS 比較環保，因為它不需要用算力做作業量證明。投票實際上就是做個簽名，最多再做一些簡單的運算，比求解 POW 難題容易多了。所以 POS 節點硬體成本很小，也不耗電。
但是，POS 也有自己的問題。
第一個就是通訊復雜度跟投票的人數相關，而且通常是平方的關系。參與投票的人數越多，通訊越復雜，達成共識需要的時間就越久。不過，現在通過RBFT，BLS簽名等技術，可以大大減少投票數量。這個問題基本上算是得到了很好的解決。
還有一個比較本質的問題，就是投票權的決定時間是早于生成候選區塊的。POW 是先打包，再投票，最后決定出塊權。投出的票就不能改了。在 POS 里，決定投票權和行使投票權是分離的，沒有系結在一起。有區塊以前，我們就知道誰有投票權了。所以拿到投票權以后，我可以隨便地去投，這就意味著我可以選擇的策略空間更大，整個博弈會變得更復雜。通常來說，策略空間大對于安全性是不好的，因為給攻擊者留出了更大的操作空間。攻擊者如果操作空間大，能干的事兒就很多，想保證安全性也會變得更難。越復雜的系統的安全性越難保證，一方面是分析證明起來會更困難，另一方面是攻擊者也更容易在復雜的系統里找到漏洞。所以在 POS 系統里面，有很多種攻擊方式，比如無利害攻擊、長程攻擊等。
幾種權益證明
再來簡單介紹幾個有名的POS共識，主要了解他們的基本原理和各自的差異。
Tendermint
這是跨鏈平臺 Cosmos 采用的共識。可以做為了解 POS 的入門共識。Tendermint 每次由不固定的節點發布新塊，然后通過 PBFT 的方式讓其他所有節點對區塊進行投票驗證。超過2/3的贊同票就通過，而且是對區塊的終極確認，不像 POW 還要等好幾個塊。但缺點就是，如果投票通不過，就要一直等著。詳情還可以看我早期寫的一篇簡書博客：https://www.jianshu.com/p/52932431de06
Polkadot
波卡也是一個跨鏈的平臺，它的中繼鏈采用的是 Nominated Proof of Stake，既 “提名權益證明”。參與者通過質押成為提名人，然后從提名人里選舉出驗證者，驗證者再負責出塊。驗證者的數量可以控制，民主集中，這樣效率會高很多。NPOS 跟 DPOS 很像，都是選出少數被選中節點出塊，但是 DPOS 選出來的都是大財閥，需要做大量質押。NPOS 更民主，草根更容易參政，而且驗證者輪換也更頻繁。
Algorand
前面提到，POS 共識的一個本質問題就是出塊權由大家投票決定的，所以在出塊前大家就知道誰是出塊節點，這樣容易被攻擊；而出塊節點也可以選擇各種打包策略將自己的利益最大化。那如果有一種機制，可以隨機的產生一個節點，這個隨機性是不可以被輕易預測到，但可以是大家很容易驗證的，那就可以采用這樣的方式來選舉出塊節點了。Algorand 就找到了這樣一個產生隨機節點的方式。這種方法其實就跟 POW 的方式很接近了。大家都可以打包提交候選區塊，但最后不是看誰最快算出題，而是通過一個真亂數，選出唯一的下一個出塊。
Casper
Casper是以太坊 2.0 將要采用的共識方式，Casper有了權益質押，有了投票機制，但現在還是一個 POW 和 POS 的混合體，將來要慢慢發展成一個完全的 POS 協議。因為要對現有的基于 POW 的以太坊進行升級，它考慮更多的是鏈的可用性而非最終一致性。Casper出塊還是會通過 POW，然后再由 POS 節點投票，投票的節點有點像是在賭博，可以隨便投任何塊，但是如果你沒有投中最后被選中的塊，會受到懲罰，所以最后大家都會趨向投最長的鏈上的一個塊。
更多創新
我們可以探討一下未來區塊鏈有哪些方面還可以改進。當吞吐量做到帶寬和網路容量的上限以后，如果要進一步的擴容，有如下幾種方式。
有一種考慮是從結構上來改變區塊鏈，把區塊從鏈的結構改成 DAG 的結構。DAG 是有向無環圖，每個父塊可以有多個子塊，如果用 DAG 的方式，就不怕分叉了，出塊速度可以大大提升。但是 DAG 對共識機制的挑戰也很大，因為 DAG 把鏈狀結構變成網狀結構，最侄訓是需要一個好的共識對這個網狀結構進行收斂，才能朝著一個方向前進。Conflux 就試圖采用 DAG 的結構對 POW 共識進行優化。
還有一個思路是采用第二層的擴容方案：不用每筆交易都在全網上驗證，可以采用分片（sharding），一個交易只需要在一個分片中區域驗證即可；還可以采用側鏈解決方案，交易在側鏈中進行后，定期把結果寫回主鏈即可；甚至還可以直接生成子鏈，在子鏈上采用不同共識，這樣的架構更靈活，對應用的支持更好。這些方法都可以節省全網的帶寬，提高整個系統吞吐量。
采用分層的結構以后，一條鏈實際上就可以使用混合共識了。在一條多層架構的公鏈上，POW 安全可靠，可以用來發行通證，POS 效率高，確認快，且能耗低，可以用來做應用。著名公鏈 MOAC 其實就是采用了這樣的共識。
但是，即便在 MOAC 上，POW 和 POS 也是分開的。有沒有可能采用一種 POW+POS 的混合共識機制，即保證鏈的安全性，又可以提高出塊效率。還可以通過 POS 質押與算力挖坑的礦工制衡，遏制住耗能的軍備競爭呢？
Decred 是為數不多的一個已經混合使用了 POW 和 POS 共識機制的公鏈。也類似于 Casper，每個塊都是通過 POW 產生，但是需要通過 POS 投票確認。Decred 主要是從鏈上治理的角度出發選擇的這種方式，然后讓 POS 利益相關者成為區塊鏈治理中的主導決策力量。只有通過投票才能對網路共識規則進行修改。Decred的出塊速度并沒有很高的提升，而且因為POW 和 POS 挖礦收益比例固定，POW 的耗能挖礦也沒有很好的受限制。
從多鏈架構的角度出發，POW+POS 的混合機制有一個很大的優勢就是，鏈上會出現很多低耗能的 POS 節點，這些節點可以為分片，側鏈和子鏈服務，所以不用擔心子鏈在經濟激勵不夠時出現沒有足夠多節點為它服務的情況。在經濟模型的設計上，也可以把 POW 和 POS 的出塊獎勵做成動態分配。在算力太多的情況下，就把 POW 出塊獎勵降低，POS 出塊獎勵提高，讓 POS 的回報率更高。但是當算力太低影響安全性的時候，就把 POW 的獎勵增加，這樣就可以使得算力回升。如果能實作上面這兩點，一潭訓保，高效，安全的新一代區塊鏈公鏈就誕生了。
作者：區塊鏈_獻哥
轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/qukuanlian/26815.html
標籤：區塊鏈技術