Qbao小课堂 | 共识机制-区块链的灵魂

共识机制是什么? 

区块链是一种基于互联网的去中心化的分布式记账系统,由于点对点网络存在较高的网络延迟,各节点所观察到的交易事务先后顺序不可能完全一致。 因此区块链系统需要设计一种机制对在一定时间内发生的事务的先后顺序进行共识。这种对一个时间窗口内的事务的先后顺序达成共识的算法被称为“共识机制”。

共识机制在区块链中扮演着核心的地位,是区块链的灵魂,决定了谁有记账的权利,以及记账权利的选择过程和理由。

 

区块链共识机制有哪些?

不同虚拟货币采用的共识机制不同,一般来说,在私有链和联盟链情况下,对一致性、正确性有很强的要求。一般来说要采用强一致性的共识算法。而在公有链情况下,对一致性和正确性很难做到百分之百,通常采用最终一致性(Eventual Consistency)的共识算法。

区块链的共识机制目前主要有4类:PoW、PoS、DPoS、分布式一致性算法。

1.PoW(Proof of Work)- 工作量证明机制

PoW,以比特币的挖矿机制为例,矿工通过把网络尚未记录的现有交易打包到一个区块,然后不断遍历尝试来寻找一个随机数,使得新区块加上随机数的哈希值满足一定的难度条件。找到满足条件的随机数,就相当于确定了区块链最新的一个区块,也相当于获得了区块链的本轮记账权。矿工把满足挖矿难度条件的区块在网络中广播出去,全网其他节点在验证该区块满足挖矿难度条件,同时区块里的交易数据符合协议规范后,各自把该区块链接到自己版本的区块链上,从而在全网形成对当前网络状态的共识。

PoW是一种多劳多得的模式。算力越高、挖矿时间越长,获得的数字货币就越多。如果某个节点拥有全网40%的算力,那么该节点理论上拥有40%的概率,在PoW中获胜。 PoW就像在一座金挖矿,谁的力气越大,谁挖的时间越长,谁得到的金子就越多。 就是:挖得越多,收得越多。

比特币和以太坊都是基于PoW的共识机制。

PoW的优点
(1)完全去中心化,节点自由进出,避免了建立和维护中心化信用机构的成本。

(2)只要网络破坏者的算力不超过网络总算力的50%,网络的交易状态就能达成一致。算法简单,采用大家认可的数学逻辑(找寻随机数),容易实现。而破坏整个系统,需要投入巨大成本,有一定安全保障。

PoW的缺点:

(1)目前比特币挖矿造成大量的资源浪费;

(2)挖矿的激励机制也造成矿池算力的高度集中,背离了当初去中心化设计的初衷;

(3)更大的问题是PoW机制的共识达成的周期较长,每秒只能最多做7笔交易,不适合商业应用。

 

2.PoS(Proof of Stake)- 权益证明机制

PoS,要求节点提供拥有一定数量的代币证明来获取竞争区块链记账权的一种分布式共识机制。

如果单纯依靠代币余额来决定记账者必然使得富有者胜出,导致记账权的中心化,降低共识的公正性,因此不同的PoS机制在权益证明的基础上,采用不同方式来增加记账权的随机性来避免中心化。

例如点点币(PeerCoin)PoS机制中,拥有最多链龄长的比特币获得记账权的几率就越大。NXT和Blackcoin则采用一个公式来预测下一个记账的节点。拥有多的代币被选为记账节点的概率就会大。

PoS的优点:
在一定程度上缩短了共识达成的时间,降低了PoW机制的资源浪费。

PoS的缺点:

(1)破坏者对网络攻击的成本低,网络的安全性有待验证;

(2)拥有代币数量大的节点获得记账权的几率更大,会使得网络的共识受少数富裕账户支配,从而失去公正性。

 

3.DPoS(Delegated Proof of Stake)- 股份授权证明机制

DPoS,类似于董事会投票。比特股(bitshares)和steem采用的DPoS机制是持股者投票选出一定数量的见证人,每个见证人按序有两秒的权限时间生成区块,若见证人在给定的时间片不能生成区块,区块生成权限交给下一个时间片对应的见证人。

持股人可以随时通过投票更换这些见证人。DPoS的这种设计使得区块的生成更为快速,也更加节能。

DPoS的优点:

大幅缩小参与验证和记账节点的数量,可以达到秒级的共识验证。

DPoS的缺点:
(1)选举固定数量的见证人作为记账候选人有可能不适合于完全去中心化的场景;

(2)在网络节点数少的场景,选举的见证人代表性也不强。

以上三种算法多用于公有链。

 

4.分布式一致性算法

分布式一致性算法是基于传统的分布式一致性技术。其中有分为解决拜占庭将军问题的拜占庭容错算法,如PBFT。另外解决非拜占庭问题的分布式一致性算法(Pasox、Raft),该类算法目前是联盟链和私有链场景中常用的共识机制。

分布式一致性算法的优点:

可实现秒级的快速共识机制,保证一致性。
分布式一致性算法的缺点:
(1)去中心化程度不如公有链上的共识机制;

(2)更适合多方参与的多中心商业模式。

共识机制是区块链的灵魂,PoW和DPoS这两种共识机制由于依靠审核、匿名性较好、流动相对自由等优点,在数字货币领域应用较为广泛。

据说有一种共识机制可实现生活100%容错,远胜过任何区块链共识算法。那就是李开复曾经创立的一种共识机制:夫妻意见一致时听丈夫的,夫妻意见分歧时听太太的!

啊哈哈哈哈,好像确实挺有道理的!

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