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[科技] 区块链，你不可不知的共识机制

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182462a 发表于 2021-3-30 03:34:58 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
区块链，你不可不知的共识机制 第1张图片

区块链是一种去中心化的分布式账本，可以简单理解为分布在全球各个节点的分布式数据库，数据库由区块按时间顺序相连而成，区块中记录的是数笔交易。
为了能支持这一套系统的运行，需要各节点矿工的参与，他们参与的主要原因是因为有奖励，奖励可以去交易所换成钱，他们这样参与的过程类似于挖矿，所以被成为“矿工”。
矿工在什么样的规则下才会得到奖励，这样的规则在区块链中叫共识机制。
区块链解决了在不可信信道上传输可信信息、价值转移的问题，而共识机制解决了区块链如何分布式场景下达成一致性的问题。区块链的伟大之处就是它的共识机制在去中心化的思想上解决了节点间互相信任的问题。
瓦坎达现在用一个形象的例子，让大家直观地理解什么是共识机制。

区块链，你不可不知的共识机制 第2张图片

所以区块链技术的核心是在没有中心控制的情况下，在互相没有信任基础的个体之间就交易的合法性等达成共识的共识机制。

区块链，你不可不知的共识机制 第3张图片

事实上区块链的共识机制主要是针对新区块的分叉问题的。区块链的分叉是怎么回事呢？看下图：

区块链，你不可不知的共识机制 第4张图片

区块链中保存到了3008区块，第3009区块产生的过程中，矿工A挖出了3009区块，就是A计算出的Nonce值是087509时的哈希值符合系统要求，是一个合格的区块，于是A矿工立刻将自己的计算结果进行宣布；而几乎同一时间，B矿工也挖出了一个合格的3009区块，尽管Nonce值不同但哈希值也满足系统要求。
矿工A、B都会向全网宣布自己计算出的结果，希望其他矿工同步自己的数据。这样就会出现问题了，A和B都宣布符合要求的区块，他们临近的用户最先收到两者的新区块结果。

区块链，你不可不知的共识机制 第5张图片

这时候我们就会发现，这样的后果就是这个区块链网络将被割裂，出现了分叉，一部分矿工节点先收到A发过来的新区块，一部分矿工节点先收到B发过来的新区块。这样，这两条链就会在各自不同的区块链上进行添砖加瓦，这样就好像是节点分成了两派矿工，A派矿工和B派矿工。

区块链，你不可不知的共识机制 第6张图片

A派矿工在基于A的3009区块上继续生产一个新的3010区块；B派矿工在基于B的3009区块上继续生产一个新的3010区块，于是就形成了两条分叉的区块链，这就是所谓的“区块链分叉”。
这样分叉的两条区块链就开始了竞争，A与B两矿工几乎同时挖出了两个不同的3009区块，再同时挖出3010区块的概率几乎为0，总会有某派的矿工首先挖出3010区块。假如A派的矿工首先挖出了3010区块，这时候B派矿工就尴尬了，因为B派矿工已经不是最长的链了。

区块链，你不可不知的共识机制 第7张图片

节点上B派矿工会认为自己落后了，以A的3009区块为基础的链已经有了3010区块自己的这条链要长，这时候就用上了区块链的共识机制了，被叫做POW(Proof Of Work)。谁的区块链长，谁在这条区块链上的工作量大，算的哈希长，耗费的电多，那么这条链就被认为是合法的、有意义的区块链，短的那条链被认为是一条备用链，准备被废弃的链。

区块链，你不可不知的共识机制 第8张图片

B派的矿工也承认这一点，不在原来的链上工作，他们进行切换，切换到最长的那条链上，整个网络就又回到了共识。

区块链，你不可不知的共识机制 第9张图片

这就是区块链网络的工作量证明的共识机制PoW，也是最早的共识机制。最长的链代表了最长的工作量，最多的工作量代表了这条链是有意义的，大家一致认同这条长的区块链。而之前短的链就被废弃，整个区块链网络得以正常进行。
区块链从 2009 年发展至今，已经演变出多种的共识机制，包括：工作量证明机制（PoW）、权益证明机制（PoS）、股份授权证明机制（DPoS）、实用拜占庭容错算法（PBFT）、Pool验证池以及期望共识（EC）等。
工作量证明机制：Proof of Work（PoW）。
这是什么意思呢？正如上面所述，你获得多少货币，取决于你挖矿贡献的有效工作，也就是说，你电脑性能越好，分给你的矿就会越多，这就是根据你的工作证明来执行货币的分配。大部分的虚拟货币，比如比特币、莱特币等等，都是基于POW模式的虚拟货币（算力越高、挖矿时间越长，你获得的货币就越多）。

区块链，你不可不知的共识机制 第10张图片

权益证明机制：Proof of Stake（PoS）
人们对于POW越来越中心化的算力分布和惊人的能耗，感到害怕，于是POS诞生了；POS也称股权证明， 是通过持币而产生利息， 对于验证人/节点进行奖励；先引入一个概念：币龄；币龄 = 币量 x 持有天数；当你获得利息后，你的持币天数清零，币龄也被清空。比如，你有100个币，持有了30天，那么，你的币龄=100x30 =3000；这时，如果发现一个POS区块，你的币龄就被清0；每清空365币龄（模仿一年365天的年利率），你就能从区块中获得利息；如果该利率是5%，那么一年下来，总利息 = 3000 * 5% = 150个币；POS就像到银行存钱，银行根据你存的数字货币的多少和存放的时间，给你算利息；总的来说， 就是：持有币，有利息，持币越多，收得越多。以太坊就是采用这种共识机制。

区块链，你不可不知的共识机制 第11张图片

股份授权证明机制：Delegated Proof of Stake（DPoS)
你会发现，在币圈发展的头几年，PoW、PoS这两种共识算法都没毛病，PoW根据计算能力随机出块，PoS根据拥有财产随机出块；但无论技术如何发展，人性亘古不变，随着币圈的发展，比特币的所谓“去中心化”首先变成了一个乌托邦式的笑话，ASIC等矿机的发明使得矿霸和普通用户在算力上的差距已经从量变升级到了质变；而POS，作为代币早先发行时的持币者，在币的数量和币龄上让后来者有着几乎无法超越的可能，与比特币一样，很多PoS币种也几乎无可避免的走向一种中心化的趋势。
这时，DPoS横空出世，DPoS又称为股份授权证明，其原理是让每一个持币人进行投票，由此产生一定数量的代表 (超级节点或者矿池），由这些超级节点代理持币人验证和记账；而这些超级节点的权利是相等的；DPOS就像董事会投票，持币者投出一定数量的节点 （董事）；代表按照既定时间表，轮流产生区块，如果代表没能很好地行使权力（比如产生区块），他们会被除名，网络会选出新的超级节点来取代他们；所有的代表将收到平均水平区块所含交易费的10%作为报酬。

区块链，你不可不知的共识机制 第12张图片

实用拜占庭容错算法：Practical Byzantine Fault Tolerance（PBFT）
上述讲述了比特币使用的是PoS，以太币使用的是PoS，使得算理变的不怎么重要了，而今PoS的变体DPoS进一步削减算力的浪费，同时也加强了区块链的安全性。
不过，对于不需要货币体系的联盟链或者私有链而言，绝对信任的节点，以及高效的需求上述共识算法并不能够提供，因此对于这样的区块链，传统的一致性算法成为首选，PBFT（拜占庭容错）、PAXOS、RAFT。
PBFT是一种状态机副本复制算法，即服务作为状态机进行建模，状态机在分布式系统的不同节点进行副本复制。每个状态机的副本都保存了服务的状态，同时也实现了服务的操作。将所有的副本组成的集合使用大写字母R表示，使用0到|R|-1的整数表示每一个副本。为了描述方便，假设|R|=3f+1，这里f是有可能失效的副本的最大个数。尽管可以存在多于3f+1个副本，但是额外的副本除了降低性能之外不能提高可靠性。

区块链，你不可不知的共识机制 第13张图片

Pool验证池
Pool验证池基于传统的分布式一致性技术建立，并辅之以数据验证机制，是目前区块链中广泛使用的一种共识机制。
Pool验证池不需要依赖代币就可以工作，在成熟的分布式一致性算法(Pasox、Raft)基础之上，可以实现秒级共识验证，更适合有多方参与的多中心商业模式。不过，Pool验证池也存在一些不足，例如该共识机制能够实现的分布式程度不如PoW机制等。
POI：重要性证明：Proof of Importance（POI）
使用账户重要性评分来分配记账权的概率。
参与度证明：Proof of Participation（POP）
结合了DPOS与POI的思想。
下面到了与我们Filecoin息息相关的共识机制：期望共识（EC）
预期共识：Expected Consensus（EC）
Filecoin的共识机制和PoW、PoS都不同，Filecoin的共识机制是预期共识（EC），Filecoin选举新矿工的方式以根据它当前已用存储空间占全网存储空间的比值决定的。
工作量证明机制中，大量算力只能用于维护网络安全，消耗大量的能源，而不能产生其他对网络的贡献。这一点一直以来以学术界和工业界所诟病。Filecoin师徒设计更合理的共识机制是在确保其安全的同时，更加环保，并且对系统产生更大价值。
如此一来，矿工更愿意投资在更大的存储空间，而不是更大的计算力上。矿工提供存储空间，同时矿工之间相互竞争更大的存储空间，这对于维护Filecoin DSN是有利的。

区块链，你不可不知的共识机制 第14张图片



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标签：区块链时间顺序去中心化数据库分布式
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