区块链的几大共识机制及优缺点

什么是共识机制

为了成为去中心化、诚实可信、难以突破、公开、数据记录不可篡改的系统，区块链需要在最短的时间内使分布式数据记录安全、清晰、不可逆，提供一个最佳的可靠和分散的系统。

区块链分布式记账方式，让每个人都拥有一个完整的账本，全网共享。 但是随着节点数量的不断增加，数据越多，账本就越安全，也很难销毁。 另外，任何一个或部分节点的账本如果被篡改，是不可能被全网认可的，除非你能控制51%的节点，也就是51%的攻击，但这会消耗大量的能源，几乎是不可能的。 同时，随着节点数量的不断增加，谁来记账，如何选择合适的人来记账成为了一个问题。 制定簿记员选拔办法和规定，让大家遵守这个规定，达成共识。 这就是区块链中的共识机制。

共识机制是区块链节点对全网区块信息达成共识的机制。 说得直白一点，就是就如何选择簿记员达成共识。 共识机制可以保证最新的区块准确加入区块链，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。

作为区块链的第一个应用，比特币的共识机制——PoW共识机制曾经是独一无二的。 但是，随着区块链技术的不断发展，各种共识机制开始出现，各有各的优势和拥趸。

共识机制分类

PoW（Proof of Work）工作量证明：工作越多，报酬越多

在该机制中，货币的分配和记账权的确定是根据矿工的工作量进行的。 算力竞赛的获胜者将获得相应的区块记账权和比特币奖励。 因此，挖矿芯片的算力越高，挖矿时间越长，可以获得的数字货币就越多。

优点：算法简单，易于实现； 节点可以在不交换额外信息的情况下达成共识； 破坏系统需要付出巨大的代价。

缺点：浪费能源； 区块确认时间难以缩短； 新的区块链必须找到不同的哈希算法，否则将面临比特币的算力攻击； 容易产生分叉，需要等待多次确认； 永远没有最终性，需要检查点机制来补偿最终性。

目前有很多基于PoW共识机制的数字货币。 比特币、莱特币、狗狗币、达世币、门罗币等最初的数字货币大多基于 PoW 共识机制。

PoS（Proof of Stake）权益证明算法：持有越多，获得越多

POS机制采用类似股权证明和投票的机制来选择簿记员并由其创建区块。 持有的股权越多，特权越大，需要承担更多的责任来产生区块，同时获得更多的权力来赚取。

在POS机制中，一般使用币龄来计算记账权。 每枚币持有一天，计算币龄。 比如你持有100个币，一共持有30天，那么此时的币龄就是3000。在POS机制下，记账人如果发现一个POS块，他的币龄会被清零，而每清零365个币龄，他将从区块中获得0.05个币龄的利息（可以理解为年利率5%）。

优点：一定程度上缩短了达成共识的时间； 无需消耗大量能源进行挖矿。

缺点：仍然需要挖矿，本质上没有解决商业应用的痛点； 所有的确认只是一种概率表达，不是确定性的事情，理论上可能还有其他的攻击效果。

最早开始使用权益证明共识机制的区块链项目是诞生于2012年的PeerCoin，以太坊前三个阶段均采用PoW共识机制。 从第四阶段开始，以太坊将采用权益证明机制。 此外，量子链和黑币均采用POS共识机制。

DPOS（Delegated Proof-of-Stake）股份授权证书

DPOS是在POS的基础上发展起来的。 与PoS的主要区别是持币者投出一定数量的节点代为验证和记账。 其合规性监管、性能、资源消耗和容错性与 PoS 类似。

DPoS的工作原理是：每个股东按其持股比例产生影响，51%股东投票的结果具有不可逆性和约束力。 挑战在于及时有效地获得 51% 的批准。 为实现这一目标，每个股东都可以将其投票权委托给一名代表。 得票最多的前 100 名代表将按照既定时间表依次出块。 每个代表都被分配了一个时间段来生产区块。 所有代表将获得相当于平均区块中所含交易费用 10% 的补偿。 如果一个平均区块包含 100 股作为交易费用，则代表将获得 1 股。 DPoS 的投票模式每 30 秒可以产生一个新区块。

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。

比特股（BitShares）社区首先提出了共享授权证明机制，与比特股之父相同的EOS和Steem也是基于这种共识机制。 LBTC、BCX、Lisk等也采用了这种共识机制。 ，DPoS支持者众多，影响广泛，后发制人。

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

DAG最早出现是为了解决区块链的效率问题。 它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，网络中可以并行打包N个区块，网络中的交易可以容纳N次。

之后DAG从区块链发展出来，提出了blockless without blocks的概念。 当发起新的交易时，只需要选择网络中已经存在的较新的交易作为链接确认。 这种方式解决了网络宽度的问题，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：网络规模小，容易变得中心化； 安全性低于PoW机制。

目前使用该技术的币种有两种，IOTA和byteball。 前段时间，国内首个基于DAG的物联网区块链项目ITC的价格也实现了可观的上涨。

PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）实用拜占庭容错：分布式共识算法

Practical Byzantine Fault Tolerance 在保证活跃性和安全性的前提下提供(n-1)/3容错。 在分布式计算中，不同的计算机试图通过消息交换达成共识； 但有时，系统上的协调计算机（Coordinator/Commander）或成员计算机（Member/Lieutanent）可能会由于系统错误而交换错误消息，从而影响最终的系统一致性。 拜占庭将军问题是根据错误计算机的数量，寻找可能的解决方案，不能找到绝对的答案，只能用来验证一种机制的有效性。 拜占庭问题可能的解决方案是：在N≥3F+1的情况下，一致性是一个可能的解决方案。 其中，N为计算机总数，F为出现问题的计算机总数。 计算机之间交换信息后，每台计算机列出所有获得的信息，并取大部分结果作为解决方案。

优点：系统的运行可以脱离币的存在。 pbft算法共识是每个节点由业务参与者或监管者组成，安全性和稳定性由业务利益相关者保证； 共识延迟约2-5秒，基本达到商业实时处理要求； 共识效率高，可以满足高频交易量的需求。

缺点：当1/3以上记账员停止工作时，系统将无法提供服务； 当1/3或更多记账人联手作恶，而其他所有记账人恰好分成两个网络孤岛时，恶意记账人可以导致系统分叉，但会留下密码学证据； 去中心化程度不如公链上的共识机制； 更适合多方参与的多中心商业模式。

Practical Byzantine Fault Tolerance主要应用于央行数字货币和Bumo区块链。

矿池验证池-私有链专用

Pool验证池，基于传统的分布式一致性技术，加上数据验证机制； 曾经是产业链广泛使用的共识机制，但随着私链项目的逐渐减少，逐渐开始没落。

优点：无需代币即可工作，在成熟的分布式共识算法（Pasox、Raft）的基础上实现秒级共识验证。

缺点：去中心化程度不如bictoin； 更适合多方参与的多中心商业模式。

自定义共识机制和混合共识机制：私人定制

YI：dBFT（delegated BFT）授权的拜占庭容错算法

小易采用的 dBFT 机制是按权益选择记账人，然后记账人通过拜占庭容错算法达成共识。 dBFT 和 PBFT 的关系类似于 PoS 和 DPoS 的关系。

dBFT在PBFT的基础上做了很多改进：将C/S架构的请求响应方式改进为适合P2P网络的点对点节点方式； 将静态共识参与节点改进为可以动态进入和退出的动态共识参与节点； 针对共识参与节点的产生，设计了基于持股比例的投票机制，通过投票确定共识参与节点（记账节点）； 将数字证书引入区块链，解决投票中的记账问题和节点真实身份的认证问题。

特点：专业记账； 可以容忍任何类型的错误； 记账由多人完成，每个区块具有最终性，不会分叉； 算法的可靠性有严格的数学证明； 当有 1/3 或更多记账人联手作恶，而其他所有记账人被分成两个网络孤岛时，恶意记账人可以导致系统分叉，但会留下密码学证据。

唯链 - PoA（权威证明）

PoA共识机制，这种共识机制所能达到的TPS，在TPS上远高于比特币的PoW和以太坊要采用的PoS。 唯链创世团队曾透露，唯链研发团队在测试中可以达到10000TPS比特币区块链的经济机制包括，10000TPS足以满足长时间的性能需求。

PoA与PoS类似，但POS是基于持币加时间的模式，因此也会造成利益分配不均衡和大节点的产生。 在 PoA 中，验证者不需要在网络中持有股份，但必须具有已知的和已验证的身份，这意味着验证者不会有为自己的利益行事的动机，由这些验证者来验证和治理DAPP 的投票。 这样，PoA 网络变得更安全、更便宜。

除了VeChain，OuChain Oracles也使用PoA共识机制。

瑞波：RPCA（瑞波协议共识算法）

Ripple共识机制RPCA是一种类似于PBFT的共识机制，属于节点投票的共识机制。 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。

与比特币和点点币一样，Ripple 系统将股东与其投票权分开，因此比其他系统更加集中。 Stellar的共识机制SCP（Stellar Consensus Protocol）是在“Ripple Consensus Algorithm”的基础上演化而来的。

Hcash——PoW+PoS共识机制

Hcash采用混合共识机制后比特币区块链的经济机制包括，拥有Hcash的用户和矿工可以参与投票，参与Hcash社区的重大决策； Hcash的PoS也提供了对不合格矿工的制衡机制； 持币数量和工作量分配投票权重，实现社区自治。

Hcash通过PoW，以挖矿的硬成本作为币价的保障，在分立的PoS机制中制约数字货币过度集中的问题； PoS让中小投资者更专注于项目的中长期发展，中小投资者更倾向于将币放在钱包里进行PoS，而不是放在交易所准备交易，使得Hcash生态系统更健康。 人们会更加关注Hcash的技术和落地应用，而不是仅仅关注短期的价格波动。

在安全性方面，由于PoW必须通过PoS验证才能生效，PoW矿工无法自行决定和改变网络规则，有效抵御51%攻击。

共识机制发展

迄今为止，还没有一种共识机制能够完美解决所有问题，每种共识机制都有其自身的不足。 数字货币市场在不断扩大，毫无疑问，共识机制也在不断自我更新。

从PoW到PoS，从PoS到DPoS，再到没有区块链的DAG概念，无疑不是对效率的不断追求。 但共识越中心化（参与度越低），效率越高，也越容易出现安全和专制腐败（有悖于去中心化的初衷）。 只有在各个方面取得平衡，通过后续的发展和不断的变革，数字货币和区块链的未来才可期。