区块链的几大共识机制及优缺点

什么是共识机制

区块链要成为一个难以攻破的、公开的、不可篡改数据记录的去中心化诚实可信系统，需要在尽可能短的时间内做到分布式数据记录的安全、明确及不可逆，提供一个最坚实且去中心化的系统。

区块链分布式记账的方式使得每个人手上都有一本完整的账本，全网共有。但是随着节点的不断增多，数据越多，账本也越安全，难以摧毁。除此之外，任意一个或者部分节点的账本被篡改，都不可能被全网认同，除非你能控制51%的节点，即51%攻击，但是这耗能巨大，几乎是不可能的。同时随着节点不断增加，谁来记账，如何选择合适的人来记账成为一个问题，而制定一个记账人的选择方式以及规定，让大家来遵守这个规定，达成共识，这就是区块链里面的共识机制。

共识机制是区块链节点就区块信息达成全网一致共识的机制，说得更直白一些就是对于如何选择记账人达成共识。共识机制可以保证最新区块被准确添加至区块链、节点存储的区块链信息一致不分叉甚至可以抵御恶意攻击。

比特币作为区块链的第一个应用，它的共识机制PoW共识机制曾经一枝独秀，但是随着区块链技术的不断发展，各类不同的共识机制开始不断涌现，各有千秋，各有拥趸。

共识机制分类

PoW( Proof of Work)工作量证明：多劳多得

机制中根据矿工的工作量来执行货币的分配和记账权的确定。算力竞争的胜者将获得相应区块记账权和比特币奖励。因此,矿机芯片的算力越高,挖矿的时间更长,就可以获得更多的数字货币。

优点：算法简单，容易实现;节点间无需交换额外的信息即可达成共识;破坏系统需要投入极大的成本。

缺点：浪费能源;区块的确认时间难以缩短;新的区块链必须找到一种不同的散列算法，否则就会面临比特币的算力攻击;容易产生分叉，需要等待多个确认;永远没有最终性，需要检查点机制来弥补最终性。

目前基于PoW共识机制的数字货币有很多，比特币、莱特币、狗狗币、达士币、门罗币等初期的数字货币大多都是PoW共识机制。

PoS(Proof of Stake)股权证明算法：持有越多，获得越多

POS 机制采用类似股权证明与投票的机制，选出记帐人，由它来创建区块。持有股权愈多则有较大的特权，且需负担更多的责任来产生区块，同时也获得更多收益的权力。

POS 机制中一般用币龄来计算记账权，每个币持有一天算一个币龄,比如 持有 100 个币,总共持有了 30 天,那么此时的币龄就为 3000。在 POS 机制下,如果记账人发现一个 POS 区块, 他的币龄就会被清空为 0,每被清空 365 币龄,将会从区块中获得 0.05 个币的利息(可理解为年利率 5%)。

优点：在一定程度上缩短了共识达成的时间;不再需要大量消耗能源挖矿。

缺点：还是需要挖矿，本质上没有解决商业应用的痛点;所有的确认都只是一个概率上的表达，而不是一个确定性的事情，理论上有可能存在其他攻击影响。

最先开始运用权益证明共识机制的区块链项目是2012年诞生的PeerCoin，以太坊前三阶段均采用PoW共识机制，在第四阶段开始以太坊将采用权益证明机制，此外，量子链和Blackcoin都采用POS共识机制。

DPOS(Delegated Proof-of-Stake)股份授权证明

DPOS 是在 POS 基础之上发展起来的。与PoS的主要区别在于持币者投出一定数量的节点，代理他们进行验证和记账。其合规监管、性能、资源消耗和容错性与PoS相似。

DPoS的工作原理为：每个股东按其持股比例拥有影响力，51%股东投票的结果将是不可逆且有约束力的。其挑战是通过及时而高效的方法达到51%批准。为达到这个目标，每个股东可以将其投票权授予一名代表。获票数最多的前100位代表按既定时间表轮流产生区块。每名代表分配到一个时间段来生产区块。所有的代表将收到等同于一个平均水平的区块所含交易费的10%作为报酬。如果一个平均水平的区块含有100股作为交易费，一名代表将获得1股作为报酬。DPoS的投票模式可以每30秒产生一个新区块。

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。

缺点：整个共识机制还是依赖于代币，很多商业应用是不需要代币存在的。

比特股(BitShares)社区首先提出了股份授权证明机制，和比特股一父同胞同出于大神BM之手的EOS以及Steem也是基于此共识机制，LBTC、BCX 、Lisk等也都采用了该共识机制，DPoS的支持者众多，影响力广泛，后来者居上。

DAG(Directed acyclic graph)有向无环图：无区块链概念

DAG最初出现就是为了解决区块链的效率问题。其通过改变区块的链式存储结构，通过DAG的拓扑结构来存储区块。在区块打包时间不变的情况下，网络中可以并行的打包N个区块，网络中的交易就可以容纳N倍。

之后DAG发展成为脱离区块链，提出了blockless无区块的概念。新交易发起时，只需要选择网络中已经存在的并且比较新的交易作为链接确认，这一做法解决了网络宽度问题，大大加快了交易速度。

优点：交易速度快;无需挖矿;极低的手续费。

缺点：网络规模不大，导致极易成为中心化;安全性低于PoW机制。

目前采用这个技术有IOTA、byteball两个币，前段时间国内首个基于DAG的物联网区块链项目ITC万物链币价也取得了不小的涨幅。

PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)实用拜占庭容错：分布式一致性算法

实用拜占庭容错在保证活性和安全性(liveness & safety)的前提下提供了(n-1)/3的容错性。在分布式计算上，不同的计算机透过讯息交换，尝试达成共识;但有时候，系统上协调计算机(Coordinator / Commander)或成员计算机 (Member /Lieutanent)可能因系统错误并交换错的讯息，导致影响最终的系统一致性。拜占庭将军问题就根据错误计算机的数量，寻找可能的解决办法，这无法找到一个绝对的答案，但只可以用来验证一个机制的有效程度。而拜占庭问题的可能解决方法为：在 N ≥ 3F + 1 的情况下一致性是可能解决。其中，N为计算机总数，F为有问题计算机总数。信息在计算机间互相交换后，各计算机列出所有得到的信息，以大多数的结果作为解决办法。

优点：系统运转可以脱离币的存在，pbft算法共识各节点由业务的参与方或者监管方组成，安全性与稳定性由业务相关方保证;共识的时延大约在2~5秒钟，基本达到商用实时处理的要求;共识效率高，可满足高频交易量的需求。

（编辑：核心网）

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