1、區塊鏈常見的三大共識機制

區塊鏈是建立在P2P網絡，由節點參與的分布式賬本系統，最大的特點是“去中心化”。也就是說在區塊鏈系統中，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，只需依靠區塊鏈協議系統就能實現交易。

可是，要如何保證賬本的準確性，權威性，以及可靠性？區塊鏈網絡上的節點為什么要參與記賬？節點如果造假怎么辦？如何防止賬本被篡改？如何保證節點間的數據一致性？……這些都是區塊鏈在建立“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造。

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

目前為止，區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點，在以工作量證明機制為共識的區塊鏈中，節點可以自由進出，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塊的能力是節點算力的具體表現。

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，當節點擁有占全網n%的算力時，該節點即有n/100的概率找到Block Hash。在節點成功找到滿足的Hash值之后，會馬上對全網進行廣播打包區塊，網絡的節點收到廣播打包區塊，會立刻對其進行驗證。

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

假如節點有任何的作弊行為，都會導致網絡的節點驗證不通過，直接丟棄其打包的區塊，這個區塊就無法記錄到總賬本中，作弊的節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的共識協議，也就確保了整個系統的安全。

優缺點

優點：結果能被快速驗證，系統承擔的節點量大，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。

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。

優缺點：

優點：縮短達成共識所需的時間，比工作量證明更加節約能源。

缺點：本質上仍然需要網絡中的節點進行挖礦運算，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，就像系統隨時都在召開一個永不散場的股東大會，所有股東都在這里投票決定公司決策。

授權股權證明在嘗試解決傳統的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。基于DPoS機制建立的區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。

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塊，若見證人在給定的時間片不能生成區塊，區塊生成權限交給下一個時間片對應的見證人。DPoS的這種設計使得區塊的生成更為快速，也更加節能。

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定，計算機宕機，或者試圖利用手中的權力作惡。

優缺點：

優點：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

缺點：中心程度較弱，安全性相比POW較弱，同時節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來維持代理節點的穩定性。

2、【Discover ETH】什么是權益證明PoS

本篇作為Discover系列文章的開篇，結合ETH2.0的目標，來談談權益證明PoS是什么。

在談PoS之前，我們先來了解一下共識。共識，即達成了普遍協議。區塊鏈實質上是一個全球性的狀態機，達成共識意味著網絡上至少有超過一半（51%）的節點同意網絡的下一個全球狀態。
共識機制 （也稱為共識協議或共識算法）允許分布式系統（計算機網絡）協同工作并保持安全。當前主流的共識機制有兩種，分別是 工作量證明 (Proof of Work，PoW)和 權益證明 (Proof of Stake，PoS)。以太坊在設計之初就希望最終以太坊的共識機制能轉變為PoS，而PoW只作為一個過渡階段。但無論是PoW還是PoS，最終的目的都是相同的，即實現分布式計算機的共識機制。下面先簡單了解工作量證明（PoW）的工作機制。

工作量證明通過礦工們完成，礦工們需要競爭創建最新區塊以處理和完成交易。 獲勝者將與網絡中的其他節點分享最新區塊，并且獲得最新的特定代幣區塊獎勵（如以太坊的以太幣）。由于用戶需要擁有超過網絡中 51% 的算力才能夠欺騙整條鏈，因此網絡安全得以保證。 這將需要巨大的設備和能源投入，所需的開支甚至可能超過收益。
工作量證明是08年在中本聰所創造的比特幣中提出的，至今已經經過了充分的考驗和測試，但隨著越來越多的礦工和礦池的加入，挖掘新的區塊的難度指數爆發式上升，也面臨的如下的問題：

PoS作為ETH2.0關鍵的建設目標，其作用不僅僅只是因為PoW帶來的環境不友好的能源消耗，還有PoS的建設能更有力支持 分片鏈 （以太坊網絡擴展的關鍵升級），更強的去中心化特性等等。下面從幾個方面來簡單談談權益證明PoS的工作過程。

在以太坊中，工作量證明的過程參與的角色是礦工/礦池。其目的是通過算力試錯來反復計算，以此生成一個低于目標隨機數的混合哈希。這個計算難度依賴于區塊所聲明的 難度 ，難度越小，有效的哈希值的集合就越小。而在權益證明中，則沒有礦工這一角色，與之對應的是稱之為 驗證者 的角色。
在ETH2.0中，用戶需要質押 32ETH 來獲得作為驗證者的資格。驗證者被 信標鏈 隨機選擇去創建區塊，并且負責檢查和確認那些不是由他們創造的區塊。他們不需要開采區塊，他們只需要在被選中的時候創建區塊并且在沒有被選中的時候驗證他人提交的區塊。此驗證被稱為證明。
驗證者因提出新區塊和證明他們已經看到的區塊而獲得獎勵，對于一些惡意驗證者節點，也會有相應的懲罰機制使之失去質押。驗證者質押的ETH越多，獲得的獎勵也越多。可以這樣說，權益證明是一種用于激勵驗證者接受更多質押的機制。

前面提到了 分片鏈 這個名詞， 分片 就是將區塊鏈分成多條鏈。驗證者將會在不同的分片上處理它們的分片數據，以此來提高區塊鏈的工作效率。ETH2.0預計會有64個分片鏈。
驗證者會被隨機洗牌到不同的分片中，以防止驗證者惡意操縱節點并提高鏈的安全性。處理不同分片之間的數據的關鍵角色就是 信標鏈 （Beacon Chain）。
信標鏈 是協調分片信息、管理驗證者的連接不同分片的橋梁。
當用戶在分片上提交交易時， 驗證者 將負責將用戶的交易添加到分片區塊中。 信標鏈 通過算法選擇驗證器以提出新的塊。如果一個驗證者沒有被選中提出一個新的分塊，它們將會證明另一個驗證者的提議，并確認一切都正常。
至少需要 128 個被稱為 委員會 （ committee ）的驗證者來證明每個分片塊。委員會有一個提出和驗證分片區塊的時限，這個時限被稱為 插槽 （ Slot ），大約為12秒。 每個插槽只能創建一個有效區塊，一個 周期 （ Epoch ，大約6.4分鐘）有 32 個插槽。
每個周期過后，委員會都由不同的、隨機的參與者解散與重組，重組過程由一個半隨機算法 RANDAO 來選擇，以此避免惡意節點的操縱。

ETH2.0使用 Cassper 終局協議來確認一個新的區塊是否得到足夠的證明，即只要2/3的插槽同意（即當前參與計算的2/3的驗證者節點），該區塊就會被最終確定。而推薦此區塊的驗證者將獲得獎勵。因此，在權益證明的機制下，每過6.4分鐘就會創建一個新的區塊。關于Cassper協議的詳細說明后續再進行探索。

權益證明的建設以太坊在15年就已經提出，截止至今也才完成了Phase 0信標鏈的建設。而下一階段的與主網合并，再下一階段的分片鏈建設也一再推遲。雖然PoS的建設非常緩慢，但無論如何，權益證明作為主流的共識機制算法之一，也是值得我們探討其設計原理。
后續將會針對信標鏈的詳細設計、分片等ETH2.0內容進行探索。

3、pos機制解決了pow的問題

pos機制解決了pow的問題：

基于權益證明（PoS），通常將金錢作為股權使用。

POA指的是身份的使用。這背后的想法是，人們會注意自己的名聲，因此會被勸阻不要惡意行事。

POW 工作量證明支持不可信的分布式共識，這對于加密貨幣等行業非常重要。它涉及挖掘過程，最好描述為執行計算以驗證交易的合法性和創建新貨幣。

第一個完成計算的礦工將獲得一枚新代幣，并將區塊添加到鏈中。POS 權益證明的定義是在決定誰將創建新塊時使用權益關系。這個權益的取決于每個人持有的代幣數量。

持有更多代幣的人更有可能被選為下一個塊的驗證器。獎勵來自交易費用，因為在這個過程中不會產生新的代幣。

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。

4、科普Pos共識機制

 

今天給大家科普下夸克區塊鏈中的POS共識機制到底是什么？PoS共識機制，中文翻譯就是權益證明。與它其名的還有另一種共識機制:pow機制。

經過歷史發展的證明，PoW機制存在一些缺陷，如在挖掘過程中浪費大量的資源，整個網絡的處理效率很低等。早在2011年，就有人曾提出：“是否可以在 PoW的基礎上，重新設計一種機制？”可以保留 PoW的優點，也可以解決它的問題"。因此 PoS的共識機制就誕生了，因此， PoS機制在共識層次上借鑒了許多 PoW機制的設計，比如區塊設計、礦工選擇、分叉處理、交易驗證等。

PoS機制采用權益法核算，解決了網絡效率低下、資源浪費以及節點間一致性等問題，簡單地說，就是誰擁有更多的權益誰來說話。其原則如下：

說到PoW機制為何存在諸多問題，最大的原因在于其規則下造成礦工準入門檻低，每個人都可以成為一個出塊節點，每個節點都可以為獲得下個區塊的記賬權進行競爭，一個數據包要有那么多人來處理，必然會造成資源的浪費和低效。

而PoS機制就可以有效解決這個問題，這是因為在POS機制的規則下，提高了每個人成為節點的門檻，比如：雖然每個人都可以成為節點，但如果想成為出塊節點獲得記賬權，就必須滿足pos機制的一些規則，如質押一定數量的代幣，或者持有一定數量的代幣，才可以成為出塊節點的候選人。

在滿足這些條件之后，系統進行算法選擇，選中其中一部分人成為有效的礦工，然后每隔一個周期，進行重新分配，并且這個過程不受人為控制，一切由系統算法決定，保證公平公開不被篡改，這樣就可以避免了整個鏈被某個節點控制。

總結一句話就是PoW機制是每個人都可以成為礦工，而 PoS機制必須通過一系列的篩選后成為礦工。

poS機制的競爭原則在于，誰擁有更多的代幣，誰就能更容易的獲得記賬權。獲得記賬權的礦工將他打包好的區塊經過其他礦工驗證，通過全網廣播，確認沒有問題后，這個區塊才會被連接到鏈上，與全網其他節點的小賬本同步，同時他還能得到相應的代幣獎勵。

簡言之，整個過程就是：持幣者以代幣作抵押，得到記賬權力，然后PoS共識會通過選擇算法，按持幣者的數量，從中選出出塊礦工。采礦者在指定的高度上完成打包交易，生成新的區塊，并廣播它，然后由驗證者對所廣播的區塊進行交易驗證，通過驗證后，區塊得到確認。這就是 PoS共識機制完整的一輪過程。

PoS機制的優點是有效地解決 PoW協議中存在的資源浪費和低效問題。但它也還是存在一些缺點。舉例來說， PoS機制中的初始代幣分配是非常模糊的，如果初始代幣分配失敗，將很難形成后續的股權證明。比如，在系統進行算法選擇時如果被黑客攻擊，如果成功，選舉結果就可能被操作。除開這個問題，pos機制還存在一個問題就是，可能會造成兩極分化嚴重，持有代幣多的人會更多的獲得記賬權，繼而獲得代幣獎勵，擁有代幣少的人，很難去爭奪記賬權，造成強者恒強的局面。

總的來說，PoW機制和 PoS機制都是區塊鏈上引用的主流機制，它們會攜手帶領區塊鏈技術的進一步發展，雖然兩者存在自身的一定局限性，但未來某一天，這些技術在不斷變革創新的同時，必定鑄造區塊鏈行業的輝煌。

5、號稱“區塊鏈的靈魂”的共識機制是什么?

我們知道區塊鏈是去中心化分布式記賬技術，在區塊鏈系統當中，沒有一個像銀行一樣的中心化記賬機構，如何保證每一筆交易在所有記賬節點上的一致性呢？共識機制解決的就是這個問題，因此也可以說共識機制是區塊鏈的靈魂。

目前比較常見的共識機制有：工作量證明 PoW（Proof of Work）、權益證明（Proof of Stake）以及委托權益證明（Delegated Proof of Stake）：

 01 

PoW（Proof-of-Work）

工作量證明機制

POW的全稱為Proof of Work,翻譯過來即“工作證明”或者“工作量證明”。挖礦獲得多少貨幣獎勵，取決于挖礦貢獻的有效工作，也就是說礦機的性能越好、挖礦的時間越長，所獲得的貨幣獎勵就越多。

BTC就是POW機制下最成功的加密貨幣。POW機制雖然已經成功證明了其長期穩定和相對公平，但在現有框架下，采用POW的“挖礦”形式，將消耗大量的能源。其消耗的能源只是不停的去做SHA256的運算來保證工作量公平，并沒有其他的存在意義。而目前BTC所能達到的交易效率為約5TPS（5筆/秒），以太坊目前受到單區塊GAS總額的上限，所能達到的交易頻率大約是25TPS，與平均千次每秒、峰值能達到萬次每秒處理效率的VISA和MASTERCARD相差甚遠。

 02 

PoS（Proof-of-Stake）

權益證明機制

POS 即權益證明或者股權證明，全稱為 Proof of Stake。權益證明模式就是根據所持有貨幣的量和時間，來發利息的的一個模式。

POS機制，相比于POW，POS機制節省了能源，引入了“幣齡”這個概念來參與隨機運算。POS機制能夠讓更多的持幣人參與到記賬這個工作中去，而不需要額外購買設備（礦機、顯卡等）。每個單位代幣的運算能力與其持有的時間長成正相關，即持有人持有的代幣數量越多、時間越長，其所能簽署、生產下一個區塊的概率越大。一旦其簽署了下一個區塊，持幣人持有的“幣齡”即清零，重新進入新的循環。

在POS機制下，因為區塊的簽署人由隨機產生，則一些持幣人會長期、大額持有代幣以獲得更大概率地產生區塊，盡可能多的去清零他的“幣天”。因此整個網絡中的流通代幣會減少，從而不利于代幣在鏈上的流通，價格也更易受到波動。由于可能會存在少量大戶持有整個網絡中大多數代幣的情況，整個網絡有可能會隨著運行時間的增長而越來越趨向于中心化。相對于PoW而言，PoS機制下作惡的成本很低，因此對于分叉或是雙重支付的攻擊，需要更多的機制來保證共識。穩定情況下，每秒大約能產生12筆交易，但因為網絡延遲及共識問題，需要約60秒才能完整廣播共識區塊。長期來看，生成區塊（即清零“幣齡”）的速度遠低于網絡傳播和廣播的速度，因此在PoS機制下需要對生成區塊進行“限速”，來保證主網的穩定運行。

 03 

DPoS

委托權益證明機制

DPOS即授權股權證明（delegated proof of stake）。

DPoS機制要求在產生下一個區塊之前，必須驗證上一個區塊已經被受信任節點所簽署。相比于PoS的“全民挖礦”，DPoS則是利用類似“代表大會”的制度來直接選取可信任節點，由這些可信任節點（即見證人）來代替其他持幣人行使權力，見證人節點要求長期在線，從而解決了因為PoS簽署區塊人不是經常在線而可能導致的產塊延誤等一系列問題。DPoS機制通常能達到萬次每秒的交易速度，在網絡延遲低的情況下可以達到十萬秒級別，非常適合企業級的應用。

 04  其他共識機制

區塊鏈系統中還有其它共識機制比如聯盟鏈常用的PBFT，新經幣（NEM）用的POI等。這些共識機制是為了解決現有共識機制的一些缺點而被提出的。但目前使用的系統不如POW，POS和DPOS多。

共識機制是區塊鏈系統的核心，它決定了一個區塊鏈系統的去中心化程度，性能和安全性。因此公鏈的開發中，共識機制的設計是核心和關鍵。

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