浅析区块链的几种共识机制

共识机制是区块链的核心基石，是区块链系统安全的重要保障。 区块链是一个分散的系统。 共识机制让分散在世界各地的数千个节点通过数学方法就区块的创建达成共识。 共识机制还包括促进区块链系统有效运行的激励机制，是建立区块链信任的基础。

区块链公链常用的共识机制有POW、POS、DPOS、BFT，以及多种机制混合的共识机制。 共识是指系统节点达成共识的过程，分布式系统的一致性体现在三个方面：

◼终止：所有的过程最终都会在有限步数中结束并选择一个值，算法不会无限执行。

◼Agreement：所有进程必须就相同的值达成一致。

◼有效性：输出内容由输入内容根据系统规则生成，输出内容合法。

Finality衡量的是共识的效率，这在一些对交易确认的实时性要求很高的场景中非常重要，而统一性和合法性则表征了共识的安全性。 在区块链系统中，去中心化程度表征了分布式系统的大规模协作程度。 因此，我们从效率、安全、去中心化程度三个维度对各种共识机制进行评估，这就是常嘉提出的著名的“不可能三角”理论。

1. POW共识机制

比特币采用的POW工作量证明共识机制，在生成一个区块时，系统让所有节点公平地计算一个随机数，最先找到随机数的节点就是该区块的生产者，并获得对应的区块奖励。 由于哈希函数是哈希函数，所以解决随机数的唯一方法只能是数学上的穷举。 随机性很好，每个人都可以参与协议的执行。 由于默克尔树根的设置，也可以快速实现哈希函数解的验证过程。 因此，比特币的POW共识机制门槛很低，不需要中心化权威机构的许可，所有人都可以参与，每个参与者都不需要身份认证。

同时，中本聪通过工作量证明机制破解了无门槛分布式系统的“女巫攻击”问题。 对系统发起攻击需要50%以上的算力，系统安全性强。

POW共识的优点可以概括为：

◼算法简单，易于实现，节点可以自由进入，去中心化程度高。

◼破坏系统需要巨大的代价，安全性极高。

◼区块生产者的选择是通过节点求解哈希函数来实现的。 提案生成、验证和达成共识的过程是一个纯数学问题。 节点无需交换额外信息即可达成共识，整个过程无需人工干预。 参加。

在保证安全的前提下，比特币系统的设置牺牲了一定的确定性。 因此，POW共识算法也存在一些问题：

◼为了保证去中心化程度，很难缩短区块确认时间。

◼没有终局性，需要checkpoint机制来补偿终局性，但随着确认数的增加，达成共识的可能性也成倍增加。 由于这两个问题，为了保证安全，一笔交易只有在产生6个新区块后才能在全网得到确认，这意味着一笔交易的确认延迟时间在1小时左右，不能满足实际应用世界上对交易实时性要求高的场景。

另一方面，POW 共识算法带来了很多硬件设备的浪费。 随着比特币价值的提升，比特币算力竞争经历了从CPU到GPU，再到ASIC专用芯片的阶段。 强大的ASIC芯片矿机将挖矿算法硬件化，ASIC芯片矿机淘汰后，没有其他用途，造成大量硬件浪费。

2.POS共识机制

POS（Proof of Stake）共识机制是系统权益代替算力决定区块记账权的共识机制。 你拥有的权益越大，成为下一个区块生产者的概率就越大。 POS 的合理假设是权益持有者更愿意维护系统的一致性和安全性。 如果说POW将系统的安全性交给了数学和算力，那么POS共识机制则将系统的安全性交给了人性。 人性问题可以用博弈论来研究。 POS共识机制的关键是为合适的博弈模型构造合适的验证算法，以保证系统的一致性和公平性。

POS共识机制不像POW那样消耗能源和硬件设备，缩短了区块生成时间和确认时间，提高了系统效率。 但是也有很多缺点，包括：

◼ 实现规则复杂，中间步骤多，人为因素多，容易出现安全漏洞。

◼ 和POW共识机制一样，没有最终性，需要检查点机制来弥补最终性。

(1) POS共识机制的最早实践

早期POS共识机制的实现一般结合POW共识机制，如Peer Coin、Black Coin等，主要思想是获得区块记账权的难度与节点持有的币龄成反比. 与POW共识机制相比，一定程度上减少了数学运算带来的资源消耗，达成共识的时间也相应缩短，提高了出块效率。 但这种 POS 共识机制的致命弱点在于币龄依赖。 攻击者在积累了较长的币龄后，挖矿难度大大降低，很容易对系统发起双花攻击。

(2) 纯POS共识机制

纯POS共识机制通过节点持有的权益（持有数量乘以持有时间）来决定区块生产者。 股权比例越高，被选为区块生产者的概率越大。 没有块生产者选举过程。 矿业。 该机制的实践者包括未来币（NXT）和量子链（QTUM）。

纯POS共识机制，不引入外部资源，仅依靠自身权益维护网络安全，无需消耗能源进行计算； 并且因为不引入外部资源，所以不会担心外部攻击，比如外部算力攻击。 但是，这个POS共识还存在很多问题：

◼ 无利害关系攻击

股权挖矿不需要像POW共识那样投入物理算力和能源消耗，只需要持有股权即可。 假设系统中有两条支链，那么对于持有币的“矿工”来说，矿工最好的运营策略是同时在两条支链上“挖矿”，这样无论哪条支链获胜，对于币持有者，他们将获得属于他们的利益，而不会损失利益。 这样造成的问题是，只要系统中有分叉，“矿工”就会同时在这几个分叉上挖矿； 他们也对这条分叉链达成了共识； 而且他们甚至可以在不持有51%股权的情况下成功发起分叉攻击。

◼ 马太效应

POS共识机制下的累积权益是通过持币数量乘以持币时间获得的，势必形成赢者通吃的局面。 假设电费是3个币，大户每天持有100个币可以得到100个息币，小户每天持有1个币可以得到1个息币。 这样，大玩家往往会启动以获得更多的货币天数，而小玩家往往会关闭，(97, 0) 是最终的游戏选择。 这样一来，大户得到的钱币越来越多，造成富者愈富，穷者愈穷的局面。

小户\大户

启动

不启动

启动

97, -2

0, -2

不启动

97,0

0,0

表：POS 游戏利润矩阵 4

◼ 记账节点激励

虽然在 POS 上“挖矿”不消耗算力，运营成本也很低，但也存在如何激励 POS 矿工的问题。 因为一般的POS系统不产生新币，矿工只能赚取交易手续费，在交易手续费低的情况下，对矿工的激励非常有限。

(3) 改进的POS共识机制

针对纯POS共识机制存在的问题，改进后的POS共识机制通过建立惩罚机制来保证系统安全。 区块验证者以押金的形式参与，恶意攻击系统的惩罚是奖励的数百倍甚至数千倍。 .

POS共识的这种改进，便于区块链选择分叉和设置链上检查点，解决了纯POS共识机制的分叉问题，使共识结果具有最终性。 然而，如何判定恶意攻击仍然是一个有争议的问题。 POS共识的执行过程始终是一个复杂的人性博弈过程。 以太坊的Casper FFG版POS机制将在以太坊第三期的大都会君士坦丁堡（Constantinople）二期投入使用。 这是一种混合共识，结合了改进的 POS 共识和 POW 共识。 以太坊Casper FFG版本的记账人选择和区块生成时间均由POW共识完成。 POS共识每100个区块设置检查点，为交易确认提供最终性，这也是这种POW-POS混合共识机制的优势。 代替 POW 共识机制。

3.DPOS共识机制

DPOS（Delegated Proof of Share）是一种基于投票选举的共识机制，类似于代议制民主。 DPOS 在 POS 的基础上，将区块生产者的角色专业化。 首先通过股权选出出块人，然后出块人轮流出块。

DPOS共识最早由BitShares（比特股）社区提出。 它与POS共识的主要区别在于节点选举若干代理人，由代理人进行验证和记账。 与 POS 相比，DPOS 可以大大提高选举效率，在牺牲部分去中心化特性的同时实现性能提升。

DPOS共识机制不需要挖矿或全节点验证，而是通过有限数量的见证节点进行验证，简单高效。 由于验证节点数量有限，DPOS共识普遍被质疑过于中心化，在代理记账节点的选举过程中也存在巨大的人为操控空间。

(1) 以太币

EOS系统中有21个超级节点和100个备份节点，超级节点和备份节点由EOS权益持有者选举产生。 区块的生产以 21 个区块为一轮。 每轮开始时，都会选出 21 个区块生产者。 前 20 个区块生产者由系统根据网络持币者的投票自动生成，最后一个区块生产者根据其获得的票数概率生成。 选定的生产者根据从块时间导出的伪随机数轮流生产块。

EOS结合了DPOS和BFT（拜占庭容错算法）的特点，区块生成后进入不可逆状态，因此具有很好的最终性。 EOS采用的石墨烯技术使其理论上可以达到百万级TPS，目前上线的测试网TPS达到千量级。 同时比特币采用的共识机制是PoS，由于EOS记账节点严格的筛选制度，系统的安全性也非常高。

DPOS 作为 POS 的变种，通过减少选举节点的数量来降低网络压力。 这是一个典型的分而治之的策略：所有的节点都分为领导者和追随者，只有领导者达成共识后才会通知追随者。 该机制可以在不增加计算资源的情况下有效降低网络压力，在商业环境的实现中将具有很强的应用价值。

DPOS为实现更高效率而设置的代理人制度背离了区块链世界人人可参与的基本精神，也是EOS受到质疑的地方。

(2) 卡尔达诺

Cardano实现的Ouroboros共识机制可以看作是DPOS共识的变种，Cardano团队更喜欢将其描述为Dynamic POS。 与DPOS共识相同的是，只有持有一定数量的Cardano代币ADA的地址（ADA官方数据前2%的地址）才有资格参与区块生产者的选举，ADA越多hold 用户有更高的概率被选为出块人。

Ouroboros 协议将物理时间划分为 epoch，再将 epoch 划分为区块（时隙）。 每个纪元持续 5 天，每个区块持续约 20 秒。 每个epoch的出块人在前一个epoch已经选出，在下一个epoch随机选出一个候选者作为每个block的出块人。 候选生产者可以在一个时期内生产多个区块。 块。

Cardano 团队认为，Ouroboros 与 DPOS 的不同之处在于，Cardano 簿记员的选举过程是完全随机的，不是由利益相关者选举产生的。 Ouroboros 共识算法引入了抛硬币协议，可以保证选举过程的完全随机性。 据Cardano团队介绍，Ouroboros是迄今为止唯一经过数学证明能够达到近似纳什均衡的POS共识机制，但其有效性仍需在实际运行中进行检验。

4. BFT共识机制 (1) PBFT

最常用的BFT共识机制是实用拜占庭容错算法PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）。 该算法由Miguel Castro和Barbara Liskov于1999年提出，解决了原始拜占庭容错算法效率低下的问题，将算法复杂度从节点数的指数级降低到平方级节点的数量，使得拜占庭容错算法在实际系统应用中变得可行。

PBFT 是一种针对基于状态机副本复制的分布式系统执行环境而开发的算法。 它旨在让系统中最诚实的节点覆盖恶意节点或无效节点的行为。 PBFT算法中的节点数量是固定的，节点身份是预先确定的，不能动态增加或删除。 只能应用于节点数固定的联盟链或私有链场景。

PBFT算法的问题：

◼计算效率取决于参与协议的节点数量，不适合节点过多的区块链

系统可扩展性差。

◼系统节点固定，无法应对公链的开放环境。 仅适用于联盟链或私有链。

有连锁环境。

◼PBFT算法要求总节点数n>=3f+1（其中f代表恶意节点数）。 系统中故障节点的数量不应超过全网节点的1/3，容错率较低。

(2)DBFT

考虑到BFT算法的可扩展性问题，NEO采用了一种代理拜占庭容错算法——DBFT（Delegated Byzantine Fault Tolerant）。 与EOS的DPOS共识机制相同。 利益相关者投票选出代理记账人，代理人验证并生成区块，从而大大减少共识过程中的节点数量，解决BFT算法固有的扩展性。 性问题。

为了便于在区块链开放系统中的应用，NEO的DBFT将PBFT中C/S（client/server）架构的请求响应模式改进为适合P2P网络的点对点节点模式，静态共识参与节点改进为可动态进入和退出的动态共识参与节点，使其适用于区块链开放的节点环境。

在 DBFT 算法中，超级节点参与记账。 普通节点可以看到共识过程，同步账本信息，但不参与记账。 一共n个超级节点，分为一个议长和n-1个成员，依次选举议长。 每次记账时，议长首先发起一个区块提案（区块内容待记账），一旦至少（2n+1）/3个记账节点（议长加成员）同意该提案，则该提案就成为了最终发布的区块，该区块是不可逆的，其中的所有交易都是100%确认的，该区块不会分叉。

NEO的DBFT共识机制下，只设置了7个超级节点，以弱中心化的方式实现了较高的共识效率。 目前这些代理节点都是由项目方静态选择和完全部署的，NEO一直被外界质疑过于中心化。

一方面，DBFT 的优点是效率高。 NEO每15-20秒产生一个区块，交易吞吐量可达1000TPS左右。 通过适当的优化，性能可以达到10000TPS； 另一方面，它具有良好的终结性。 它将分叉以验证参与者的身份并保护网络安全，从而使区块链可以应用于对实时交易确认要求高的真实金融场景。

DBFT 的缺点不容忽视。 一方面体现在容错率低。 当1/3以上的超级节点为恶意节点或宕机时，系统将无法提供服务； 另一方面体现在超级节点数量太少。 ，具有高度的中心化。

五、POW共识机制的回归 （一）各种共识机制的比较

比特币是解决拜占庭将军问题的分布式账本，在完全开放的环境下实现数据的一致性和安全性。 然而，比特币采用的 POW 共识机制受到了广泛质疑：

◼ 消耗大量能源和硬件设备；

◼ 区块同步时间长，可扩展性弱，TPS低。 于是，效率更高、更节能环保的POS、DPOS、BFT等共识机制相继问世并得到广泛应用。 各种共识机制的特点：

◼ 在POS共识机制下，全网节点根据自身权益的大小，按照一定的规则参与区块生产者的选举，节点系统在共识过程中是公开的。 但是，选举过程效率低下，同时由于选举过程的复杂性，伴随着很多安全问题。

◼ DPOS共识通过代理系统大大提高了POS共识的选举效率。但在共识过程中，节点系统封闭，去中心化程度低

◼ BFT共识机制性能高，最终性好，但容错率低，且由于节点的可扩展性，更适用于相对封闭的节点系统。

具体优缺点如下：

共识机制

优势

坏处

战俘

1. 安全稳定，节点自由度高

2.去中心化程度高，节点系统开放

1、可扩展性弱，性能低

2. 没有最终性

3.造成硬件设备浪费

收银机

1、能源消耗少

2.去中心化程度高，节点系统开放

1.实施过程复杂

2.存在安全漏洞

DPOS

1、能源消耗少

2. 高性能

3.具有最终性

去中心化程度弱，节点系统相对封闭

拜占庭

1. 高性能

2.具有最终性

3.安全性好

1、去中心化程度弱，节点系统封闭

2.容错性低

(2) POW 共识机制能耗的必要性

正如张首晟教授所说，现实世界的熵永远在增加6。 POW 共识机制连接虚拟世界和现实世界。 分布式系统中达成共识的过程是一个熵减的过程，需要现实世界中熵的增加来平衡。 能量消耗是平衡熵增加的方式。

相对于POW共识将系统的安全交给数学和能量消耗，POS共识将系统的安全交给人性的博弈。 POS共识是虚拟世界中的一个封闭系统。 如果不付出任何代价就达成共识，共识的可靠性可能会受到质疑，人性博弈的乱象也必将暴露无遗。

POS的升级模式 DPOS共识机制的共识过程类似于精英代表制，是一种特权永久的治理结构，容易腐败。 卢梭对代议制的描述是：“民意一旦被代表，终将被扭曲”。 DPOS共识机制为效率而生，更适用于对性能要求极高的相对封闭的商业系统。

至于BFT共识机制，由于缺乏节点可扩展性，其共识节点的选择过程也是封闭的或需要验证的，因此更适合相对封闭的应用环境。

信任的产生需要付出代价。 POW 共识机制消耗的能量不仅是缺陷，也是信任生成过程中最有效的平衡机制。

(3) POW共识在新一代公链上的大规模应用

BitMEX的研究报告7从实际可执行性的角度指出，POW共识机制解决了区块链分叉选择、数字货币分发、谁产生区块、何时产生区块四个问题。 POS共识机制只是解决了选择区块链分叉的问题。 其他三个问题是开放的，需要更好的解决方案。

包括Bytom、Aeternity、Aelf、Zilliqa在内的新一代公链都包含了POW共识机制，而第二代公链以太坊的第三阶段Metropolis仍然是POS和POW的混合体。

公链项目

共识机制

比原链

POW：AI ASIC 芯片友好的 POW 共识机制。

永恒

POW+POS：POW机制出块，重大决策通过POS机制，为持币者赋能。

艾尔夫

POW+POS：主链采用POS共识机制，侧链采用POW共识机制。 POS共识机制的管理成本非常高，适合做主链，侧链采用POW共识机制安全自治运行。

Zilliqa

POW+PBFT：利用POW共识机制的安全性对节点进行验证，验证后的节点交由PBFT共识机制进行决策。

以太坊三期大都会

POW+POS：POW共识机制产生区块，但使用POS人为地每100个区块设置检查点以赋予最终性。

上表所列的公链共识机制选择告诉我们，虽然很多公链都有自己独特的设计理念，但出于安全考虑，仍然无法绕过POW共识机制的保护。 对于高度自治的开放公链环境，POW共识机制具有更好的适用性； 而POS共识过程的管理成本非常高。 在算法变更、分叉选择等重大决策过程中，POS共识机制具有更好的适用性。 它的使用价值，但这已经是一个相对中心化的决策机制。

(4) 比原链的POW共识算法

虽然 POW 共识机制的能耗是一种有效的平衡机制，但淘汰 POW 算法 ASIC 芯片后大量硬件浪费的问题仍然需要关注。 比原链采用的人工智能ASIC-friendly POW算法可以减少资源和设备的浪费，提高去中心化水平，为POW共识机制的演进提供了非常有建设性的解决方案。

比原链在POW共识机制中引入Tensority算法，是区块链挖矿与人工智能之间的桥梁。 Tensority算法中包含的矩阵乘法是人工智能中最通用的算法，几乎所有的人工智能设备都友好兼容该算法。 同时，Tensority算法选择的数据类型为int8，是外挂AI设备中常见的数据类型。 Tensority算法的这些设计可以让智能相机、充电AI手机等通用人工智能设备参与比原链挖矿。 Tensority算法可能会带来以下一些场景：

◼区块链共识所需的计算也可以应用到AI硬件加速服务中，产生更大的社会效益。

◼AI友好型挖矿将扩大市场对AI ASIC芯片的需求，促进芯片行业的发展，这与当前GPU友好型PoW区块链对GPU市场的助推作用如出一辙。

◼降低矿工部署算力的成本。 当矿机淘汰或闲置时比特币采用的共识机制是PoS，仍可用于人工智能加速服务，避免硬件资源浪费。

◼更多通用人工智能设备将参与区块链挖矿，有利于扩大区块链的普及率。

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