共識機制

區塊鏈作為一種按時間順序存儲數據的數據結構，可支持不同的共識機制。共識機制是區塊鏈技術的重要組件。區塊鏈共識機制的目標是使所有的誠實節點保存一致的區塊鏈視圖，同時滿足兩個性質：

1）一致性。所有誠實節點保存的區塊鏈的前綴部分完全相同。

2）有效性。由某誠實節點發布的信息終將被其他所有誠實節點記錄在自己的區塊鏈中。

區塊鏈的自信任主要體現於分佈於區塊鏈中的用戶無須信任交易的另一方，也無須信任一個中心化的機構，只需要信任區塊鏈協議下的軟體系統即可實現交易。這種自信任的前提是區塊鏈的共識機制（consensus），即在一個互不信任的市場中，要想使各節點達成一致的充分必要條件是每個節點出於對自身利益最大化的考慮，都會自發、誠實地遵守協議中預先設定的規則，判斷每一筆記錄的真實性，最終將判斷為真的記錄記入區塊鏈之中。換句話說，如果各節點具有各自獨立的利益並互相競爭，則這些節點幾乎不可能合謀欺騙你，而當節點們在網路中擁有公共信譽時，這一點體現得尤為明顯。區塊鏈技術正是運用一套基於共識的數學演演算法，在機器之間建立“信任”網路，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造。

現今區塊鏈的共識機制可分為四大類：工作量證明機制、權益證明機制、股份授權證明機制和Pool驗證池。

工作量證明機制即對於工作量的證明，是生成要加入到區塊鏈中的一筆新的交易信息(即新區塊)時必須滿足的要求。在基於工作量證明機制構建的區塊鏈網路中，節點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塊的能力是節點算力的具體表現。工作量證明機制具有完全去中心化的優點，在以工作量證明機製為共識的區塊鏈中，節點可以自由進出。大家所熟知的比特幣網路就應用工作量證明機制來生產新的貨幣。然而，由於工作量證明機制在比特幣網路中的應用已經吸引了全球計算機大部分的算力，其他想嘗試使用該機制的區塊鏈應用很難獲得同樣規模的算力來維持自身的安全。同時，基於工作量證明機制的挖礦行為還造成了大量的資源浪費，達成共識所需要的周期也較長，因此該機制並不適合商業應用。

2012年，化名Sunny King的網友推出了Peercoin，該加密電子貨幣採用工作量證明機制發行新幣，採用權益證明機制維護網路安全，這是權益證明機制在加密電子貨幣中的首次應用。與要求證明人執行一定量的計算工作不同，權益證明要求證明人提供一定數量加密貨幣的所有權即可。權益證明機制的運作方式是，當創造一個新區塊時，礦工需要創建一個“幣權”交易，交易會按照預先設定的比例把一些幣發送給礦工本身。權益證明機制根據每個節點擁有代幣的比例和時間，依據演演算法等比例地降低節點的挖礦難度，從而加快了尋找隨機數的速度。這種共識機制可以縮短達成共識所需的時間，但本質上仍然需要網路中的節點進行挖礦運算。因此，PoS機制並沒有從根本上解決PoW機制難以應用於商業領域的問題。

股份授權證明機制是一種新的保障網路安全的共識機制。它在嘗試解決傳統的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。

股份授權證明機制與董事會投票類似，該機制擁有一個內置的實時股權人投票系統，就像系統隨時都在召開一個永不散場的股東大會，所有股東都在這裡投票決定公司決策。基於DPoS機制建立的區塊鏈的去中心化依賴於一定數量的代表，而非全體用戶。在這樣的區塊鏈中，全體節點投票選舉出一定數量的節點代表，由他們來代理全體節點確認區塊、維持系統有序運行。同時，區塊鏈中的全體節點具有隨時罷免和任命代表的權力。如果必要，全體節點可以通過投票讓現任節點代表失去代表資格，重新選舉新的代表，實現實時的民主。

股份授權證明機制可以大大縮小參與驗證和記賬節點的數量，從而達到秒級的共識驗證。然而，該共識機制仍然不能完美解決區塊鏈在商業中的應用問題，因為該共識機制無法擺脫對於代幣的依賴，而在很多商業應用中並不需要代幣的存在。

Pool驗證池基於傳統的分散式一致性技術建立，並輔之以數據驗證機制，是目前區塊鏈中廣泛使用的一種共識機制。

Pool驗證池不需要依賴代幣就可以工作，在成熟的分散式一致性演演算法(Pasox、Raft)基礎之上，可以實現秒級共識驗證，更適合有多方參與的多中心商業模式。不過，Pool驗證池也存在一些不足，例如該共識機制能夠實現的分散式程度不如PoW機制等。

PBFT是一種狀態機副本複製演演算法，即服務作為狀態機進行建模，狀態機在分散式系統的不同節點進行副本複製。每個狀態機的副本都保存了服務的狀態，同時也實現了服務的操作。將所有的副本組成的集合使用大寫字母R表示，使用0到|R|-1的整數表示每一個副本。為了描述方便，假設|R|=3f+1，這裡f是有可能失效的副本的最大個數。儘管可以存在多於3f+1個副本，但是額外的副本除了降低性能之外不能提高可靠性。

區塊鏈上採用不同的共識機制，在滿足一致性和有效性的同時會對系統整體性能產生不同影響。綜合考慮各個共識機制的特點，從以下4個維度評價各共識機制的技術水平：

1）安全性。即是否可以防止二次支付、自私挖礦等攻擊，是否有良好的容錯能力。以金融交易為驅動的區塊鏈系統在實現一致性的過程中，最主要的安全問題就是如何防止和檢測二次支付行為。自私挖礦通過採用適當的策略發布自己產生的區塊，獲得更高的相對收益，是一種威脅比特幣系統安全性和公平性的理論攻擊方法。此外，Eclipse攻擊控制目標對象的網路通信，形成網路分區，阻隔交易傳播。Sybil攻擊通過生產大量無意義的節點影響系統安全性。

2）擴展性。即是否支持網路節點擴展。擴展性是區塊鏈設計要考慮的關鍵因素之一。根據對象不同，擴展性又分為系統成員數量的增加和待確認交易數量的增加兩部先擴展性主要考慮當系統成員數量、待確認交易數量增加時，隨之帶來的系統負載和網路通信量的變化，通常以網路吞吐量來衡量。

3）性能效率。即從交易達成共識被記錄在區塊鏈中至被最終確認的時間延遲，也可以理解為系統每秒可處理確認的交易數量。與傳統第三方支持的交易平台不同，區塊鏈技術通過共識機制達成一致，因此其性能效率問題一直是研究的關注點。比特幣系統每秒最多處理7筆交易，遠遠無法支持現有的業務量。

4）資源消耗。即在達成共識的過程中，系統所要耗費的計算資源大小，包括CPU、內存等。區塊鏈上的共識機制藉助計算資源或者網路通信資源達成共識。以比特幣系統為例，基於工作量證明機制的共識需要消耗大量計算資源進行挖磯提供信任證明完成共識。