区块链共识机制构建指南

在区块链中，共识是指参与者就某一区块链状态达成共同的认识，相关机制即为共识机制。

为什么区块链存在共识，而微信、支付宝以及其他传统互联网应用领域，却没有这个名词？这是因为传统互联网是中心化的，而区块链不同。

例如，支付宝的一切规则，都是阿里巴巴事先制订，普通用户可以选择使用或不使用支付宝，但却不存在与阿里巴巴达成共识。但区块链却是去中心化的，并没有任何人或某个机构处于绝对的权力领导地位，整个网络状态的改变，都需要所有参与者在某种共同机制下达成相同认识，这就是共识机制。

想要构建行之有效的共识体制，就必须清楚共识的具体内容。

区块链中最多的共识内容，是关于信息传递的有效性。例如，比特币系统本质上是一种交易顺序共识，即哪一笔交易最先被系统确认为有效的。

另一个重要的共识内容，是所有参与者需要对最新的区块达成共识。例如，在某个区块链系统中，两个节点同时接收到一个区块，其中哪一方接收到的是有效的区块，也需要通过某种机制来形成最终答案，不能出现分歧。

类似的共识具体内容还有很多。包括区块的大小、内容、传输速度等，所有这些需要形成统一认识的集合，被统称为共识层。

当然，在具体的区块链应用中，仅靠共识层内容无法支撑运作，必须有大量非“共识层”内容。这一部分内容，整条区块链的参与者不需要再具体达成共同认识，而是在加入时就已经接受的。

如果用政治体制进行比喻，区块链的共识体制，接近联邦制度：所有组成国家的州（用户），都需要接受“联邦宪法”（共识层），每个州有自身独特的法律内容和制度（非共识层）。

那么，如何让共识层高效运作起来？这就需要共识机制积极发挥作用，在许多场合，共识机制又被称为共识算法。所谓共识机制或算法，就是通过具体的操作方法，来让参与者形成共同认识。

目前，区块链主要采用的共识机制有如下类型：

1.POW机制

Proof of Work，即工作量证明机制。

假设整个区块链网络中只有A、B、C、D四个人，为了获得记账权限，系统给他们四个人出一道题目。谁在第一时间发挥最大算力，算出了正确答案，就可以获得工作量证明并赢得记账权限。

该共识机制是区块链第一代共识机制，简单而言即“按劳取酬”。通过计算不同节点的计算机付出多少工作量，就能够获得多少“投票权”。在互联网中，工作量即指用户为网络提供的计算服务，能力越强，获得的收益越多。

这种机制相当复杂，需要设置很多细节。例如：工作难度自动调整、区块奖励逐步减半等。这些因素都是基于经济学原理设计，能够吸引和鼓励更多用户参与。理想状态下，这种机制能够吸引大量用户参与其中，尤其越是先参与者，获得越多，能够促使区块链应用产品的初始阶段迅速发展，节点网络增速加快。同时，每个人都能通过提供大小不同的算力获益，实现了相对公平。

另一方面，POW机制也有其缺陷：

首先，算力是计算机硬件提供的，需要耗费电力，会直接消耗大量能源，与人类追求节能、清洁、环保的发展理念相悖。此外，随着区块链的发展，用户开始使用GPU、FPGA乃至ASIC矿机来参与计算，由此算力的集中越来越明显。这与区块链去中心化的方向背道而驰。

2.POS机制

Proof of Stake，股权证明机制。

A、B、C、D四个人都不想花费算力，于是他们用手中现有的股权多少来模拟计算过程。谁的股权多，谁就有机会获得记账权限。

如果说算力机制基于按劳分配，那么POS机制则是按股权分配。在该机制的创始区块内，写明了股权分配比例，随后通过转让或交易方式，逐渐分散到用户手中。同时，通过“利息”的方式，实现对节点的奖励。(www.xing528.com)

简单而言，就是根据用户开启节点的多少和时间，决定其收益和权力的多少。这种机制类似于现实中的理财产品或银行存款。如果用户想要获得更多发言权或收益，就需要打开产品客户端，使其保持在线。

POS机制的优势在于：

节约能源。不需要进行原始的“挖矿”工作，对计算机硬件基本上没有太高要求，不需要大量耗费电力能源。

更为去中心化。由于不采用算力贡献多少作为标准，因此不会出现因为算力集中而导致中心化的出现，整个区块链网络更为安全而有保障。

不过，POS机制也有其缺陷。实践中，金钱投入越多的人，占据的“股权”也就越多，获得区块链中的记账权的概率就越大，容易产生另一种形式的中心化。此外，由于所有的确认都只是表达概念，存在遭受其他攻击的可能性。

3.DPOS机制

Delegated Proof of Stake：授权股权证明机制。

假设区块链的世界有了成千上万人，他们通过投票选举，选出了A、B、C、D四个人作为董事来行使记账权。记账过程中，四位董事各自有两秒钟时间记账。如果在规定时间内记账失败，则直接将权限交给下一位。这样，原本需要每个人参与的竞争，简化成为四个人。

DPOS最大的特点，在于将传统的POW机制和POS机制加以结合，并通过科技基础上的网络民主，抵消中心化可能产生的负面效应。

这种机制将区块链网络看作无人控制的公司，该公司发行股份并产生“利润”（记账权限），随后将“利润”（记账权限）分配给“股东”（节点）。

在该机制中，由全体节点投票，选举出一定数量的节点代表，并由它们代理全体节点对区块加以确认，并维持系统的有序运行。

不妨将DPOS机制看作董事会投票，该机制中拥有内置的实时股权人投票系统，如同系统随时在召开永不散会的股东大会。全体节点在这样的股东大会中，都具有随时罢免和任免代表的权力。如果必要，全体节点可以通过投票，让现任节点代表失去代表资格，并重新选举新的代表，实现实时的民主共识制度。

由于上述过程都是被硬编码到软件中，因此在执行过程中不需要再去验证任何人的信任度。

这种机制的优势在于：

消耗能源更少。DPOS机制进一步将节点数量减少，在能够保证网络安全的同时，进一步降低整个网络的能耗，运行成本被控制到最低。

更加去中心化。对于类似比特币这样的大型区块链应用，个人算力的运用已经并不现实，主要算力都被集中起来，形成事实上的中心化。同样，POS要求用户始终在线，但事实上没有多少用户会真正天天开着电脑，依然被大“股东”所控制。相比之下，DPOS的去中心化程度更高。

更快运算速度。区块链中，每个区块的运算时间为10秒，一笔交易大概需要1分钟。在DPOS机制中，一个完整的101个区块的周期，大概只需要16分钟。相比之下，POW机制产生一个区块需要10分钟，一笔交易完成需要1个小时。POS机制确认一笔交易，也需要同样时间。

当然，DPOS同样存在缺陷。

例如，该机制中投票的积极性并不高，许多应用中，90%以上的持股用户并没有参与过投票。因为投票需要时间、精力和专业技能，大多数用户并不具备。此外，在选举过程中，需要及时有效地防止破坏节点的出现，而这种处理存在一定的困难。

除了上述三种机制外，还有PBFT（使用拜占庭容错算法）、POI（重要度证明共识算法）和POP（将POI和DPOS的思想结合算法）等。除了POW已经在将近十年的运行中，表现出劣势之外，究竟哪一种共识机制更好，还有待时间的验证。