區(qū)塊鏈 共識(shí)算法 

POW、POS、DPOS、PBFT區(qū)塊鏈共識(shí)算法

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式賬本系統(tǒng)，它可以用于登記和發(fā)行數(shù)字化資產(chǎn)、產(chǎn)權(quán)憑證、積分等，并以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)賬、支付和交易。區(qū)塊鏈系統(tǒng)與傳統(tǒng)的中心化賬本系統(tǒng)相比，具有完全公開(kāi)、不可篡改、防止多重支付等優(yōu)點(diǎn)，并且不依賴(lài)于任何的可信第三方。

由于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)下存在較高的網(wǎng)絡(luò)延遲，各個(gè)節(jié)點(diǎn)所觀察到的事務(wù)先后順序不可能完全一致。因此區(qū)塊鏈系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一種機(jī)制對(duì)在差不多時(shí)間內(nèi)發(fā)生的事務(wù)的先后順序進(jìn)行共識(shí)。這種對(duì)一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)的事務(wù)的先后順序達(dá)成共識(shí)的算法被稱(chēng)為“共識(shí)機(jī)制”。

在區(qū)塊鏈這樣一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中，保障整個(gè)系統(tǒng)的安全性和適應(yīng)性是非常重要的，這也是共識(shí)算法出現(xiàn)的根本原因，那么在區(qū)塊鏈中有多少種共識(shí)算法呢？

POW工作量證明是比特幣在Block的生成過(guò)程中使用的，可以說(shuō)是最原始的區(qū)塊鏈共識(shí)算法了。POW算法不難理解，就是通過(guò)工作量的大小來(lái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，比如一塊礦石含鐵量有5%，那么你要得到數(shù)量為5的鐵時(shí)，就需要100個(gè)這樣的礦石。你的鐵越多就說(shuō)明你用于提煉鐵礦石越多。你的鐵越多，這個(gè)證明就越可靠。

據(jù)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，選舉投票畫(huà)“正”字方法，“正”字越多就說(shuō)明你在選民中的選票越高，你更容易選中或排名靠前。比如有三個(gè)“正”以上的的可以晉級(jí)，那么超過(guò)三個(gè)“正”字的全部都可以晉級(jí)。

再比如有個(gè)在美國(guó)待了10年的中國(guó)人，回來(lái)之后幾乎不用對(duì)他英語(yǔ)進(jìn)行考察，因?yàn)樗诿绹?guó)待了10年，我們相信他英文是肯定沒(méi)有問(wèn)題的。也就是說(shuō)他在美國(guó)的這10年大多數(shù)是用英文交流的，他已經(jīng)投入了足夠的工作量。這個(gè)工作量與他的英文熟練程度是成正相關(guān)的。

考英語(yǔ)六級(jí)為什么要做很多題目的原理也是這樣，是一種工作量的證明，只有多做題，工作量才會(huì)提升，通過(guò)六級(jí)的概率才會(huì)大，反過(guò)來(lái)看，如果他有英語(yǔ)過(guò)了8級(jí)，那么我們相信他有英語(yǔ)8級(jí)的實(shí)力。

當(dāng)然，POW算法也應(yīng)用于我們生活中的其他場(chǎng)合，比如格斗類(lèi)游戲和FPS類(lèi)游戲的K/D比和勝率，越高就說(shuō)明你越強(qiáng)。

PPC是從中本聰所創(chuàng)造的BTC衍生出來(lái)的一種P2P的電子密碼貨幣，以股權(quán)證明（Proof of Stake，以下簡(jiǎn)稱(chēng)POS）取代工作量證明（Proof of Work，以下簡(jiǎn)稱(chēng)POW）來(lái)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。POS實(shí)際上可以取代POW的大部分功能。這主要是因?yàn)?，和工作量證明POW一樣，POS權(quán)益證明也不可能被輕易偽造。當(dāng)然，這也是貨幣系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵特性-防止偽造。從哲學(xué)角度而言，貨幣在過(guò)去就是一種“工作量證明”，因此其本身可以代替工作量的證明。

在這里我們需要引入一個(gè)概念：幣齡。

至少早在 2010年，中本聰就在BTC設(shè)計(jì)中提出并使用了幣齡這一概念，用于給交易排出優(yōu)先次序，但這個(gè)概念在其安全模式中沒(méi)有起來(lái)很重要的作用。幣齡只是簡(jiǎn)單地定義為貨幣的持有時(shí)間段。簡(jiǎn)單舉例說(shuō)明一下：如果A從B那里收到了10個(gè)幣，并且持有30天，那么A就收集到了300幣天的幣齡。

如果A使用了從B收到的這10個(gè)幣，我們就認(rèn)為A從這10個(gè)幣上積累的幣齡被消耗（銷(xiāo)毀）了。

為簡(jiǎn)化幣齡的計(jì)算，我們?yōu)槊總€(gè)交易引入了時(shí)間戳的概念。區(qū)塊時(shí)間戳及交易時(shí)間戳相關(guān)聯(lián)的協(xié)議得以強(qiáng)化，以便確定對(duì)幣齡的運(yùn)算。

這有點(diǎn)像我們現(xiàn)在放在銀行法幣里面的利息，在交易中，區(qū)塊持有人可以消耗他的幣齡獲得利息，同時(shí)獲得為網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)區(qū)塊和用POS造幣的優(yōu)先權(quán)。

由此POS區(qū)塊的產(chǎn)生具有隨機(jī)性，這一過(guò)程與POW相似。但有一個(gè)重要的區(qū)別在于，（POS）隨機(jī)散列運(yùn)算是在一個(gè)有限制的空間里完成的（具體來(lái)說(shuō)為1 hash/未消費(fèi)錢(qián)包的輸出*秒），而不是象POW那樣在無(wú)限制的空間里尋找，因此無(wú)需大量的能源消耗。

又稱(chēng)受托人機(jī)制，它的原理是讓每一個(gè)持有比特股的人進(jìn)行投票，由此產(chǎn)生101位代表 , 我們可以將其理解為101個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)或者礦池，而這101個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)彼此的權(quán)利是完全相等的。

由于使用了去中心化的投票機(jī)制，DPoS相比其他的系統(tǒng)更加民主化。DPoS并沒(méi)有完全去除對(duì)于信任的要求，代表整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)區(qū)塊進(jìn)行簽名的被信任主體在保護(hù)機(jī)制下確保行為正確而沒(méi)有偏見(jiàn)。另外，每個(gè)被簽名的區(qū)塊都有先前區(qū)塊被可信任節(jié)點(diǎn)簽名的證明。DPoS消除了交易需要等待一定數(shù)量區(qū)塊被非信任節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證的時(shí)間消耗。通過(guò)減少確認(rèn)的要求，DPoS算法大大提高了交易的速度。通過(guò)信任少量的誠(chéng)信節(jié)點(diǎn)，可以去除區(qū)塊簽名過(guò)程中不必要的步驟。

DPOS引人注目的安全性來(lái)自于其選擇塊生產(chǎn)者和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)質(zhì)量的算法。運(yùn)用贊成投票的過(guò)程可以確保一個(gè)人即使擁有50％的有效投票權(quán)也不能獨(dú)自挑選哪怕一個(gè)生產(chǎn)者。DPOS旨在優(yōu)化擁有強(qiáng)壯網(wǎng)絡(luò)連接的誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)100％參與（共識(shí)過(guò)程）的名義條件。這使得DPOS有能力在平均只有1.5秒的時(shí)間內(nèi)以99.9％的確定性確認(rèn)交易，同時(shí)以優(yōu)雅和可檢測(cè)的方式降級(jí) – 從降級(jí)中恢復(fù)正常也不過(guò)是小事一樁。

PBFT是Practical Byzantine Fault Tolerance的縮寫(xiě)，意為實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法。該算法是Miguel Castro (卡斯特羅)和Barbara Liskov（利斯科夫）在1999年提出來(lái)的，解決了原始拜占庭容錯(cuò)算法效率不高的問(wèn)題，將算法復(fù)雜度由指數(shù)級(jí)降低到多項(xiàng)式級(jí)，使得拜占庭容錯(cuò)算法在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中變得可行。

PBFT能夠保證活性和安全性（liveness & safety）的前提下提供了(n-1)/3的容錯(cuò)性。在分布式計(jì)算上，不同的計(jì)算機(jī)透過(guò)訊息交換，嘗試達(dá)成共識(shí)。拜占庭將軍問(wèn)題就根據(jù)錯(cuò)誤計(jì)算機(jī)的數(shù)量，尋找可能的解決辦法，這無(wú)法找到一個(gè)絕對(duì)的答案，但只可以用來(lái)驗(yàn)證一個(gè)機(jī)制的有效程度。

而拜占庭問(wèn)題的可能解決方法為：

在 N ≥ 3F + 1 的情況下一致性是可能解決。其中，N為計(jì)算機(jī)總數(shù)，F(xiàn)為有問(wèn)題計(jì)算機(jī)總數(shù)。信息在計(jì)算機(jī)間互相交換后，各計(jì)算機(jī)列出所有得到的信息，以大多數(shù)的結(jié)果作為解決辦法。

小蟻采用的dBFT機(jī)制，是由權(quán)益來(lái)選出記賬人，然后記賬人之間通過(guò)拜占庭容錯(cuò)算法來(lái)達(dá)成共識(shí)。

此算法由小蟻獨(dú)創(chuàng)，在PBFT基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下改進(jìn)：

將C/S架構(gòu)的請(qǐng)求響應(yīng)模式，改進(jìn)為適合P2P網(wǎng)絡(luò)的對(duì)等節(jié)點(diǎn)模式；

將靜態(tài)的共識(shí)參與節(jié)點(diǎn)改進(jìn)為可動(dòng)態(tài)進(jìn)入、退出的動(dòng)態(tài)共識(shí)參與節(jié)點(diǎn)；

為共識(shí)參與節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生設(shè)計(jì)了一套基于持有權(quán)益比例的投票機(jī)制，通過(guò)投票決定共識(shí)參與節(jié)點(diǎn)（記賬節(jié)點(diǎn)）；

在區(qū)塊鏈中引入數(shù)字證書(shū)，解決了投票中對(duì)記賬節(jié)點(diǎn)真實(shí)身份的認(rèn)證問(wèn)題。

上述是目前主要的區(qū)塊鏈共識(shí)算法，當(dāng)然還有其他的算法，比如PoET–Proof of Elapsed Time流逝時(shí)間量證明等。這幾種算法大多是按該共識(shí)算法從誕生到熱門(mén)的順序來(lái)定的，無(wú)論是技術(shù)上，還是業(yè)務(wù)上，每種算法都在特定的時(shí)間段中有各自的考慮和意義。優(yōu)缺點(diǎn)當(dāng)然各有千秋。共識(shí)算法的選擇主要與應(yīng)用場(chǎng)景高度相關(guān)。網(wǎng)上也有很多這樣的帖子，日后有時(shí)間我也會(huì)大家一同分享。