区块链共识机制及几种算法介绍

在区块链系统中，没有像银行那样的中心化记账机构，保证每笔交易在所有记账节点上的一致性，即全网达成共识非常重要。 共识机制解决了这个问题。

一般来说，在介绍区块链时经常会提到两个例子：一个是古老的记账模型向分布式账本的扩展，另一个是拜占庭将军问题。 使用分布式账本的目的是为了让每个节点都能够验证交易，而拜占庭一般性问题与账本的一致性有关，也就是本文要讨论的共识机制（Consensus）。

区块链的核心是参与者之间的共识。 共识是关键，因为在没有中央权威的情况下，参与者必须就规则以及如何应用它们达成一致； 并同意使用这些规则来接受和记录拟议的交易。

共识最初是社会运作的概念，但现在已成为计算机科学的重要组成部分。 在过去的 30 年里pow是以太坊采用的共识机制，计算机世界中的共识机制已经从一个抽象的概念发展成为分布式账本技术的重要支柱。 在分布式账本中，共识机制是大多数（或所有）网络成员就某条数据或提议的交易的价值达成一致，并据此更新账本的机制。 换句话说，共识机制是管理参与节点之间一组连贯事实的规则和程序。 共识算法允许关联机器连接工作，即使部分成员出现故障，工作仍然可以正常进行。 这种容错性是区块链和分布式账本的另一个主要优势，具有内置的备份冗余余量。

目前主要的共识算法类型有：PoW、PoS、DPos、Ripple Consensus、PBFT

1. PoW（工作量证明）

通过AND或运算，计算出一个符合规则的随机数，即获得本次记账权，将本轮需要记账的数据发送出去，整体中其他节点校验后一起存储网络;

优点：易于实现pow是以太坊采用的共识机制，节点间无需交换额外信息即可达成共识，破坏系统需要巨大成本。

缺点：浪费能源，难以缩短区块确认时间； 共识周期长，不适合商业应用

2. PoS（股权证明）

PoW 的升级共识机制本质上是用权益证明代替 PoW 的算力证明，记账权由权益最高的节点获得，而不是算力最高的节点。 根据各节点代币的比例和时间； 挖矿难度按比例降低，从而加快寻找随机数的速度。

优点：解决了PoW消耗算力的问题，一定程度上缩短了达成共识的时间

缺点：有权益的参与者不一定要参与记账，但还是需要挖矿。

3. DPos（股份授权证明机制）

类似于董事会投票，代币持有者投票选出一定数量的节点来代表他们验证和记账。

优点：参与验证和记账节点数量大大减少，可以实现秒级共识验证。

缺点：整个共识机制仍然依赖于代币，很多商业应用并不需要代币的存在。

4. Ripple Consensus（瑞波共识算法）

使一组节点能够基于特殊的节点列表达成共识。 最初的特殊节点列表就像一个俱乐部，要接纳新成员，必须获得 51% 的俱乐部成员投票。 共识遵循核心成员51%的权力，外人没有影响力。 由于俱乐部一开始是“集中的”，它将保持“集中的”状态，如果它开始腐烂，股东们也无能为力。

5. PBFT: Practical Byzantine Fault Tolerance（实用拜占庭容错算法）

PBFT是一种状态机副本复制算法，即将服务建模为状态机，状态机在分布式系统的不同节点上进行副本复制。 状态机的每一个副本保存了服务的状态，同时也实现了服务的操作。 所有副本的集合用大写字母R表示，用0到|R|-1的整数表示每个副本。 为了描述方便，假设|R|=3f+1，其中f是可能失败的最大副本数。 虽然可能有超过 3f+1 个副本，但额外的副本除了性能之外不会提高可靠性。

PBFT算法的主要特点如下：客户端向主节点发送请求调用服务操作； 主节点通过广播向其他副本发送请求； 所有副本执行请求并将结果发送回客户端； client需要等待f+1个不同的Replica节点发回相同的结果作为整个操作的最终结果。

区块链的共识机制在现实中一定会变得更加清晰有效，得到众多组织的支持，让区块链在现实中的普及进入一个全新的应用阶段。

参考：

《区块链共识机制》Jeffrey Zhou

《掌控前路——区块链共识机制有多重要？》

《区块链技术共识算法述评》王晓光

《PBFT算法详解》

今晚 21:30

免费参与“从零开始创建属于你自己的数字货币”系列课程

以太坊简介