區(qū)塊鏈 共識算法 

POW、POS、DPOS、PBFT區(qū)塊鏈共識算法

區(qū)塊鏈是一種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，并以點對點的方式進行轉(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、不可篡改、防止多重支付等優(yōu)點，并且不依賴于任何的可信第三方。

由于點對點網(wǎng)絡(luò)下存在較高的網(wǎng)絡(luò)延遲，各個節(jié)點所觀察到的事務(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)計一種機制對在差不多時間內(nèi)發(fā)生的事務(wù)的先后順序進行共識。這種對一個時間窗口內(nèi)的事務(wù)的先后順序達成共識的算法被稱為“共識機制”。

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

POW工作量證明是比特幣在Block的生成過程中使用的，可以說是最原始的區(qū)塊鏈共識算法了。POW算法不難理解，就是通過工作量的大小來統(tǒng)計數(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，就需要100個這樣的礦石。你的鐵越多就說明你用于提煉鐵礦石越多。你的鐵越多，這個證明就越可靠。

據(jù)一個簡單的例子，選舉投票畫“正”字方法，“正”字越多就說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“正”以上的的可以晉級，那么超過三個“正”字的全部都可以晉級。

再比如有個在美國待了10年的中國人，回來之后幾乎不用對他英語進行考察，因為他在美國待了10年，我們相信他英文是肯定沒有問題的。也就是說他在美國的這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。這個工作量與他的英文熟練程度是成正相關(guān)的。

考英語六級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，工作量才會提升，通過六級的概率才會大，反過來看，如果他有英語過了8級，那么我們相信他有英語8級的實力。

當然，POW算法也應(yīng)用于我們生活中的其他場合，比如格斗類游戲和FPS類游戲的K/D比和勝率，越高就說明你越強。

PPC是從中本聰所創(chuàng)造的BTC衍生出來的一種P2P的電子密碼貨幣，以股權(quán)證明（Proof of Stake，以下簡稱POS）取代工作量證明（Proof of Work，以下簡稱POW）來維護網(wǎng)絡(luò)安全。POS實際上可以取代POW的大部分功能。這主要是因為，和工作量證明POW一樣，POS權(quán)益證明也不可能被輕易偽造。當然，這也是貨幣系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵特性-防止偽造。從哲學(xué)角度而言，貨幣在過去就是一種“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概念：幣齡。

至少早在 2010年，中本聰就在BTC設(shè)計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，但這個概念在其安全模式中沒有起來很重要的作用。幣齡只是簡單地定義為貨幣的持有時間段。簡單舉例說明一下：如果A從B那里收到了10個幣，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個幣，我們就認為A從這10個幣上積累的幣齡被消耗（銷毀）了。

為簡化幣齡的計算，我們?yōu)槊總€交易引入了時間戳的概念。區(qū)塊時間戳及交易時間戳相關(guān)聯(lián)的協(xié)議得以強化，以便確定對幣齡的運算。

這有點像我們現(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，同時獲得為網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個區(qū)塊和用POS造幣的優(yōu)先權(quán)。

由此POS區(qū)塊的產(chǎn)生具有隨機性，這一過程與POW相似。但有一個重要的區(qū)別在于，（POS）隨機散列運算是在一個有限制的空間里完成的（具體來說為1 hash/未消費錢包的輸出*秒），而不是象POW那樣在無限制的空間里尋找，因此無需大量的能源消耗。

又稱受托人機制，它的原理是讓每一個持有比特股的人進行投票，由此產(chǎn)生101位代表 , 我們可以將其理解為101個超級節(jié)點或者礦池，而這101個超級節(jié)點彼此的權(quán)利是完全相等的。

由于使用了去中心化的投票機制，DPoS相比其他的系統(tǒng)更加民主化。DPoS并沒有完全去除對于信任的要求，代表整個網(wǎng)絡(luò)對區(qū)塊進行簽名的被信任主體在保護機制下確保行為正確而沒有偏見。另外，每個被簽名的區(qū)塊都有先前區(qū)塊被可信任節(jié)點簽名的證明。DPoS消除了交易需要等待一定數(shù)量區(qū)塊被非信任節(jié)點驗證的時間消耗。通過減少確認的要求，DPoS算法大大提高了交易的速度。通過信任少量的誠信節(jié)點，可以去除區(qū)塊簽名過程中不必要的步驟。

DPOS引人注目的安全性來自于其選擇塊生產(chǎn)者和驗證節(jié)點質(zhì)量的算法。運用贊成投票的過程可以確保一個人即使擁有50％的有效投票權(quán)也不能獨自挑選哪怕一個生產(chǎn)者。DPOS旨在優(yōu)化擁有強壯網(wǎng)絡(luò)連接的誠實節(jié)點100％參與（共識過程）的名義條件。這使得DPOS有能力在平均只有1.5秒的時間內(nèi)以99.9％的確定性確認交易，同時以優(yōu)雅和可檢測的方式降級 – 從降級中恢復(fù)正常也不過是小事一樁。

PBFT是Practical Byzantine Fault Tolerance的縮寫，意為實用拜占庭容錯算法。該算法是Miguel Castro (卡斯特羅)和Barbara Liskov（利斯科夫）在1999年提出來的，解決了原始拜占庭容錯算法效率不高的問題，將算法復(fù)雜度由指數(shù)級降低到多項式級，使得拜占庭容錯算法在實際系統(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的容錯性。在分布式計算上，不同的計算機透過訊息交換，嘗試達成共識。拜占庭將軍問題就根據(jù)錯誤計算機的數(shù)量，尋找可能的解決辦法，這無法找到一個絕對的答案，但只可以用來驗證一個機制的有效程度。

而拜占庭問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為計算機總數(shù)，F(xiàn)為有問題計算機總數(shù)。信息在計算機間互相交換后，各計算機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機制，是由權(quán)益來選出記賬人，然后記賬人之間通過拜占庭容錯算法來達成共識。

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

將C/S架構(gòu)的請求響應(yīng)模式，改進為適合P2P網(wǎng)絡(luò)的對等節(jié)點模式；

將靜態(tài)的共識參與節(jié)點改進為可動態(tài)進入、退出的動態(tài)共識參與節(jié)點；

為共識參與節(jié)點的產(chǎn)生設(shè)計了一套基于持有權(quán)益比例的投票機制，通過投票決定共識參與節(jié)點（記賬節(jié)點）；

在區(qū)塊鏈中引入數(shù)字證書，解決了投票中對記賬節(jié)點真實身份的認證問題。

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