1、POW & POS,傻傻分不清楚的共識機制

什么是共識機制？

我在開更的第一篇文章，就簡單講解了數字貨幣世界的16個最高頻名詞，其中一個就是共識機制，還記得嗎？

為什么要有共識機制呢？

這就必須要解釋一下在分布式系統(tǒng)中不得不了解的“拜占庭將軍問題”了。

拜占庭將軍問題（The Byzantine Generals Problem）可以總結為一句話：

在古代，11位忠誠的、不同位置的將軍，如何排除叛徒的影響，對進攻或撤退達成一致。

當然，拜占庭將軍問題并不是如今才提出的，我們大中華在春秋戰(zhàn)國時期就發(fā)明了“虎符”這個神奇的方式來保障命令的正確執(zhí)行。

在分布系數系統(tǒng)中，各個節(jié)點就是“拜占庭將軍”，算法執(zhí)行中的任意一個錯誤就是“叛徒”。

為了盡可能地排除錯誤、快速達成一致，來讓系統(tǒng)有效地、正確地運行，便應運而生了各種“共識機制”。

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下面，我們就來一起學習數字貨幣世界中常見的幾種共識機制：

PoW，工作量證明 Proof of Work

PoW是比特幣所采用的共識機制，最早是由Adam Back為了解決垃圾郵件的問題而開發(fā)的一個“哈希現金Hashcash”程序。

比特幣采用的是SHA256的單向函數，其具體的工作原理實在太專業(yè)，我們只需要理解到“SHA256的結果很容易驗證，但是要將其計算出來，需要不斷嘗試運算，直到匹配到某個隨機數；技術上而言，任何新增區(qū)塊都需要經過232394億運算才能得到”的程度，感興趣的小伙伴可以搜索SHA256去深入學習。

因此，只要礦工出示運算結果，那通過PoW，全網節(jié)點就認可了他所付出的成本，承認新的區(qū)塊獎勵屬于他。

如此大量的運算相當浪費資源，實際上并沒有任何科學或實際用途，只是為了實踐工作量證明機制、阻止攻擊者偽裝成節(jié)點來控制網絡。

雖然在2009年時為了構建這種去中心化的、允許所有人可以免費參與的全球貨幣網絡，沒有更好的選擇；但是發(fā)展到如今，已經有了其他不需要大量浪費算力的證明機制，比如我們下面就要提到的，PoS權益證明。

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PoS，權益證明 Proof of Stake

主要思想是：節(jié)點記賬權的獲得難度與節(jié)點持有的權益成反比，也就是說，一個節(jié)點擁有的幣越多、時間越久，越容易獲取記賬權，也就越容易獲取區(qū)塊獎勵。

實際上，最初的PoS是PoW的一種升級，根據每個節(jié)點的幣齡，來等比例地降低挖礦難度，從而加快找到隨機數的速度。

什么是幣齡呢？

幣齡=數量*擁有天數。

由于區(qū)塊鏈中的每筆交易記錄都會被標記時間戳，這個時間戳就可以作為幣齡的證明，因此幣齡也不可能被輕易偽造。

比如A從B那里收到10個幣，并且持有了90天，那么，A就擁有了900的幣齡；如果A賣了這10個幣，這900幣齡就被消耗了；

后來，為了徹底擺脫PoW這種依靠算力的共識機制，PoS引入了“利息”的概念；年利率是在PoS機制最初確認時就設定的，一般不會變化。

利息=（幣齡*年利率）/365 ，如果利率是1%，在上個例子中，A就可以得到0.02466個幣的利息。

如此一來，PoS區(qū)塊鏈的作用過程就可以這樣描述：

在初期，通過PoW機制，產生創(chuàng)世幣；

在創(chuàng)世幣達到一定規(guī)模時，PoS機制開始作用，交易時消耗幣齡、獲得產生區(qū)塊的優(yōu)先權，并獲取利息，同時PoW機制由于消耗太多資源、浪費算力而逐漸淡出；

最終系統(tǒng)中僅剩PoS來維持正常運作。

目前大家所熟悉的以太坊，主要還是采用PoW的機制，不過正在轉向PoS。

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大家了解了PoW和PoS，在遇到其他共識機制的時候，相信也會比較快得就能理解。

比如：股份授權證明DPOS，類似于董事會投票；燃燒證明POB；沉淀證明POD；能力證明POC；消逝時間證明PODT，等等。

就不在這里為大家一一展開了，感興趣的同學可以百度或知乎一下~

2、區(qū)塊鏈常見的三大共識機制

區(qū)塊鏈是建立在P2P網絡，由節(jié)點參與的分布式賬本系統(tǒng)，最大的特點是“去中心化”。也就是說在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，用戶與用戶之間、用戶與機構之間、機構與機構之間，無需建立彼此之間的信任，只需依靠區(qū)塊鏈協(xié)議系統(tǒng)就能實現交易。

可是，要如何保證賬本的準確性，權威性，以及可靠性？區(qū)塊鏈網絡上的節(jié)點為什么要參與記賬？節(jié)點如果造假怎么辦？如何防止賬本被篡改？如何保證節(jié)點間的數據一致性？……這些都是區(qū)塊鏈在建立“去中心化”交易時需要解決的問題，由此產生了共識機制。

所謂“共識機制”，就是通過特殊節(jié)點的投票，在很短的時間內完成對交易的驗證和確認；當出現意見不一致時，在沒有中心控制的情況下，若干個節(jié)點參與決策達成共識，即在互相沒有信任基礎的個體之間如何建立信任關系。

區(qū)塊鏈技術正是運用一套基于共識的數學算法，在機器之間建立“信任”網絡，從而通過技術背書而非中心化信用機構來進行全新的信用創(chuàng)造。

不同的區(qū)塊鏈種類需要不同的共識算法來確保區(qū)塊鏈上最后的區(qū)塊能夠在任何時候都反應出全網的狀態(tài)。

目前為止，區(qū)塊鏈共識機制主要有以下幾種：POW工作量證明、POS股權證明、DPOS授權股權證明、Paxos、PBFT（實用拜占庭容錯算法）、dBFT、DAG（有向無環(huán)圖）

接下來我們主要說說常見的POW、POS、DPOS共識機制的原理及應用場景

概念：

工作量證明機制（Proof of work ），最早是一個經濟學名詞，指系統(tǒng)為達到某一目標而設置的度量方法。簡單理解就是一份證明，用來確認你做過一定量的工作，通過對工作的結果進行認證來證明完成了相應的工作量。

工作量證明機制具有完全去中心化的優(yōu)點，在以工作量證明機制為共識的區(qū)塊鏈中，節(jié)點可以自由進出，并通過計算隨機哈希散列的數值解爭奪記賬權，求得正確的數值解以生成區(qū)塊的能力是節(jié)點算力的具體表現。

應用：

POW最著名的應用當屬比特幣。在比特幣網絡中，在Block的生成過程中，礦工需要解決復雜的密碼數學難題，尋找到一個符合要求的Block Hash由N個前導零構成，零的個數取決于網絡的難度值。這期間需要經過大量嘗試計算（工作量），計算時間取決于機器的哈希運算速度。

而尋找合理hash是一個概率事件，當節(jié)點擁有占全網n%的算力時，該節(jié)點即有n/100的概率找到Block Hash。在節(jié)點成功找到滿足的Hash值之后，會馬上對全網進行廣播打包區(qū)塊，網絡的節(jié)點收到廣播打包區(qū)塊，會立刻對其進行驗證。

如果驗證通過，則表明已經有節(jié)點成功解迷，自己就不再競爭當前區(qū)塊，而是選擇接受這個區(qū)塊，記錄到自己的賬本中，然后進行下一個區(qū)塊的競爭猜謎。網絡中只有最快解謎的區(qū)塊，才會添加的賬本中，其他的節(jié)點進行復制，以此保證了整個賬本的唯一性。

假如節(jié)點有任何的作弊行為，都會導致網絡的節(jié)點驗證不通過，直接丟棄其打包的區(qū)塊，這個區(qū)塊就無法記錄到總賬本中，作弊的節(jié)點耗費的成本就白費了，因此在巨大的挖礦成本下，也使得礦工自覺自愿的遵守比特幣系統(tǒng)的共識協(xié)議，也就確保了整個系統(tǒng)的安全。

優(yōu)缺點

優(yōu)點：結果能被快速驗證，系統(tǒng)承擔的節(jié)點量大，作惡成本高進而保證礦工的自覺遵守性。

缺點：需要消耗大量的算法，達成共識的周期較長

概念：

權益證明機制（Proof of Stake），要求證明人提供一定數量加密貨幣的所有權。

權益證明機制的運作方式是，當創(chuàng)造一個新區(qū)塊時，礦工需要創(chuàng)建一個“幣權”交易，交易會按照預先設定的比例把一些幣發(fā)送給礦工本身。權益證明機制根據每個節(jié)點擁有代幣的比例和時間，依據算法等比例地降低節(jié)點的挖礦難度，從而加快了尋找隨機數的速度。

應用：

2012年，化名Sunny King的網友推出了Peercoin（點點幣），是權益證明機制在加密電子貨幣中的首次應用。PPC最大創(chuàng)新是其采礦方式混合了POW及POS兩種方式，采用工作量證明機制發(fā)行新幣，采用權益證明機制維護網絡安全。

為了實現POS，Sunny King借鑒于中本聰的Coinbase，專門設計了一種特殊類型交易，叫Coinstake。

上圖為Coinstake工作原理，其中幣齡指的是貨幣的持有時間段，假如你擁有10個幣，并且持有10天，那你就收集到了100天的幣齡。如果你使用了這10個幣，幣齡被消耗（銷毀）了。

優(yōu)缺點：

優(yōu)點：縮短達成共識所需的時間，比工作量證明更加節(jié)約能源。

缺點：本質上仍然需要網絡中的節(jié)點進行挖礦運算，轉賬真實性較難保證

概念：

授權股權證明機制（Delegated Proof of Stake），與董事會投票類似，該機制擁有一個內置的實時股權人投票系統(tǒng)，就像系統(tǒng)隨時都在召開一個永不散場的股東大會，所有股東都在這里投票決定公司決策。

授權股權證明在嘗試解決傳統(tǒng)的PoW機制和PoS機制問題的同時，還能通過實施科技式的民主抵消中心化所帶來的負面效應。基于DPoS機制建立的區(qū)塊鏈的去中心化依賴于一定數量的代表，而非全體用戶。在這樣的區(qū)塊鏈中，全體節(jié)點投票選舉出一定數量的節(jié)點代表，由他們來代理全體節(jié)點確認區(qū)塊、維持系統(tǒng)有序運行。

同時，區(qū)塊鏈中的全體節(jié)點具有隨時罷免和任命代表的權力。如果必要，全體節(jié)點可以通過投票讓現任節(jié)點代表失去代表資格，重新選舉新的代表，實現實時的民主。

應用：

比特股（Bitshare）是一類采用DPOS機制的密碼貨幣。通過引入了見證人這個概念，見證人可以生成區(qū)塊，每一個持有比特股的人都可以投票選舉見證人。得到總同意票數中的前N個（N通常定義為101）候選者可以當選為見證人，當選見證人的個數（N）需滿足：至少一半的參與投票者相信N已經充分地去中心化。

見證人的候選名單每個維護周期（1天）更新一次。見證人然后隨機排列，每個見證人按序有2秒的權限時間生成區(qū)塊，若見證人在給定的時間片不能生成區(qū)塊，區(qū)塊生成權限交給下一個時間片對應的見證人。DPoS的這種設計使得區(qū)塊的生成更為快速，也更加節(jié)能。

DPOS充分利用了持股人的投票，以公平民主的方式達成共識，他們投票選出的N個見證人，可以視為N個礦池，而這N個礦池彼此的權利是完全相等的。持股人可以隨時通過投票更換這些見證人（礦池），只要他們提供的算力不穩(wěn)定，計算機宕機，或者試圖利用手中的權力作惡。

優(yōu)缺點：

優(yōu)點：縮小參與驗證和記賬節(jié)點的數量，從而達到秒級的共識驗證

缺點：中心程度較弱，安全性相比POW較弱，同時節(jié)點代理是人為選出的，公平性相比POS較低，同時整個共識機制還是依賴于代幣的增發(fā)來維持代理節(jié)點的穩(wěn)定性。

3、pos共識機制的說法錯誤的是

持幣者擁有網絡的控制權。通過查詢pos共識機制官網得知，pos共識機制的說法錯誤的是持幣者擁有網絡的控制權，PoS機制的優(yōu)點是有效地解決，PoW協(xié)議中存在的資源浪費和低效問題。

4、什么是pos算法和pos機制

pos是公鏈中的共識算法，作為pow的一種替換。pow是保證比特幣，當前以太坊和許多區(qū)塊鏈安全的一種機制，但是pow算法在挖礦過程中，因為破壞環(huán)境和浪費電而受到指責，pos試圖通過一種不同的機制取代挖礦的概念，從而解決這些問題。

ps機制可以被描述成一種虛擬挖礦，鑒于pow主要依賴于計算硬件的稀缺性，來防止女巫攻擊。在pow中，一個用戶有可能用一千美元來買計算機，加入網絡來挖礦，產生新區(qū)塊，從而得到獎勵。在pos中，用戶可以拿到一千美元，買到等值的代幣，把這些代幣當做押金放在pos機制之中，只要用戶就有機會產生，這樣用戶可以得到獎勵。

pos算法如下，存在一個持幣人的集合，他們把手中的代幣放入pos機制中，這樣他們就變成驗證者。

5、NULS的POC共識與POS和DPOS共識機制有和區(qū)別?

POC：（Proof-Of-Credit）信用共識機制，由NULS團隊首創(chuàng)并運用，共識機制為：節(jié)點信用達標的情況下，鎖定一定保證金即可加入共識，共識節(jié)點重新排序后每輪輪流出塊，退出共識時保證金解鎖。NULS的POC分為委托共識和節(jié)點共識，委托共識抵押2000NULS，節(jié)點共識抵押20000NULS。節(jié)點建立者維護節(jié)點，收取委托共識的部分傭金，共同維護NULS主網節(jié)點健康運行。
POC共識機制綜合了POW/POS/DPOS的優(yōu)勢特點，把區(qū)塊鏈中難以統(tǒng)一的去中心化、效率、一致性在不同方向上的特點做到了更好的協(xié)調。
 
1、去中心化：在POC共識機制的中，沒有節(jié)點數量的硬性限制，節(jié)點的數量是動態(tài)的，任何滿足條件的都可以加入節(jié)點，這里每一個出塊節(jié)點都類似POW中的礦池，通過持有權益的方式來加入這個礦池中共識。在POW中礦池根據算力來獲得記賬權益，在POC中，所有的礦池獲得記賬權的機會是隨機對等的，這使得POC共識機制的節(jié)點分布相對更去中心化。
 
 
2、效率：影響區(qū)塊鏈網絡效率的兩個關鍵因素是節(jié)點分布廣泛的程度和提供節(jié)點的硬件網絡資源。在協(xié)調這兩個參數中，POC共識機制引入了信用系數機制，直接會影響到節(jié)點的穩(wěn)定，所以每一個節(jié)點以及參與到這個節(jié)點的委托人都會做出對網絡最有利的選擇，保證節(jié)點能高效穩(wěn)定的提供服務，另外通過權益的方式來加入節(jié)點共識，使得節(jié)點的數量會在一定的區(qū)間內浮動，可以通過更改激勵參數來調節(jié)，參數一定的情況下市場會進行自動的調節(jié)。在這些節(jié)點中，融入了DPOS的隨機排序后出塊原則，保證了網絡的的安全和高效，可提供較高的TPS承載能力。
 
3、一致性：在POC共識機制中，全員皆可以參與共識，節(jié)點只能向參與者收取一定的手續(xù)費，所有的人參與共識的機會是均等的，獲得的激勵根據權益和節(jié)點信用系數來決定的。節(jié)點和所有的參與者都會為了提供穩(wěn)定的節(jié)點服務達成共識。

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