共識機制在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中起到決定誰負責生成新區(qū)塊的作用。

一、什么是共識？

在理解共識的概念之前，先簡單粗爆地假設——咱們村有100人，現(xiàn)在要投票選舉誰當村長，如果100人都親自到場投出自己的一票，那參與度是100%；如果這100人選出了10個代表去投票，參與度則只有10%。這兩種投票，哪一種投票更能代表民意呢？毫無疑問是前者，因為參與度更高；相反，后者選出了10位代表去投票，參與度低，難免以偏蓋全。通過這個假設，我們可以對什么是參與度有一個簡單粗暴的理解。

共識（Consensus）是一切交易的基礎，達成共識越分散（參與度越高），其效率就越低，但滿意度越高，因此也越穩(wěn)定；相反，達成共識越集中（參與度越低），效率越高，也越容易出現(xiàn)獨裁和腐敗現(xiàn)象。

區(qū)塊鏈技術的偉大之處在于去中心化和去信任（或降低信用成本），如何在一個完全陌生的網絡環(huán)境里，通過代碼撮合交易？言外之意，這些代碼究竟發(fā)揮了何種神奇的魔力，讓買賣雙方產生信任呢？

答案就是共識機制。

共識機制

區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心是有系統(tǒng)中節(jié)點競爭記賬，這個競爭的過程稱為共識機制，區(qū)塊鏈的底層有四部分構成，一個分布式的數(shù)據(jù)庫用來存儲以往和將來的交易數(shù)據(jù)，密碼學的公私密鑰體系用來確認交易雙方的身份，P2P網絡用來廣播和蔓延各類消息（如節(jié)點加入消息，節(jié)點失效消息，得到挖礦數(shù)據(jù)的消息）和 用來決定節(jié)點記賬權利的共識機制。

共識機制在區(qū)塊鏈中扮演著核心的地位，共識機制決定了誰有記賬的權利，以及記賬權利的選擇過程和理由。不用的虛擬貨幣采用共識機制不同，常見的共識機制如POW，POS，DPOS 拜占庭容錯等。現(xiàn)梳理如下：

目前區(qū)塊鏈的共識機制大致可以分為PoW（工作量證明）、PoS（權益證明）、DPoS（股份授權證明）以及分布式一致性算法幾類。

（一）：工作量證明PoW

POW(Proof of Work)，即工作量證明機制。整個系統(tǒng)中每個節(jié)點為整個系統(tǒng)提供計算能力(簡稱算力)，通過一個競爭機制，讓計算工作完成最出色的節(jié)點獲得系統(tǒng)的獎勵，也就是完成新生成貨幣的分配。區(qū)塊鏈是一個持續(xù)增長的順序塊組成的，每個塊包含了頭文件和一系列的交易信TXi，其中頭文件中保護了timestamp Ti ,上一個塊的索引Hi-1，和nounce Ni-1，區(qū)塊鏈是密碼上的安全，對于每一輪只要找到相應的HASG的碰撞就算成功，HASG的碰撞的意思可以了解為hash值的前多少位相同，我們知道何難找到兩個hash一模一樣的文件，但是我們可以找到前幾位相同的，我們將一個完整的挖礦過程整理如下：

其中Di是難度系數(shù)，可以認為是前多少位的碰撞。挖礦的過程就是在不停的嘗試找Ni的過程。下面我們給出一個模擬挖礦的例子。測試環(huán)境說明：

運行如下腳本：

對結果進行排序，找到前9位對撞成功的n的值.

實驗結果如下：

雖然只是模擬實驗，但是完整的反映了POW的運作原理。

（二）：權益證明PoS

POS（Proof of Stake）即股權證明。顧名思義，指的是直接根據(jù)所持有的份額來達成共識機制。其目的在于讓鏈上所謂的“股權持有者”來代替POW里的礦工，這本質上的共識過程是以“股權所有”代替“挖礦”過程。

在PoW機制中，由于想要找到符合條件的 nonce.nonce往往需要花費大量的電力和時間成本，因此，為了使每個Block更快被生成，PoS機制去掉了窮舉 noncenonce這一過程，繼而采用以下更快速的算法：

SHA256(SHA256(Bprev),A,t)≤balance(A)m

H 某個哈希函數(shù)

t 為 UTC 時間戳

Bprev指的是上一個區(qū)塊

balance(A)代表賬戶A的賬戶的余額

唯一可以不斷調整的參數(shù)是t，等式右邊m是某個固定的實數(shù)，因此，當balance(A)越大，找到合理t的概率越大，網絡中，普遍對于t的范圍有所限制，如可以嘗試的時間戳不能超過標準時間戳1小時，也就說，一個節(jié)點可以嘗試 7200次，來找到一個符合條件的t，如果找不到即可放棄。因此，在PoS中，一個賬戶的余額越多，在同等算力下，就越容易發(fā)現(xiàn)下一個區(qū)塊。

但是它和POW機制一樣解決問題的思想也導致了它與POW擁有一樣的缺點，也是犧牲了一部分的共識（同樣分叉），而且需要等待多個確認。

優(yōu)點：對節(jié)點性能要求低，達成共識時間短（網絡環(huán)境好的話可實現(xiàn)毫秒級）；

缺點：沒有最終一致性

PoW與PoS流程對比圖：

（三）：股份授權證明DPos：

是基于POS衍生出的更專業(yè)的解決方案，股份授權證明類似于董事會投票，假設某個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的世界里有10萬人，現(xiàn)在這10萬人投票選出了4位股東作為代表來行駛記賬權，這4位董事分別是A、B、C、D，在記賬過程中，按順序每位董事有兩秒鐘的時間來記賬，如果在規(guī)定的時間內記賬失敗，則直接把權限交給下一位董事，這樣原本10萬人參與記賬競爭的游戲，現(xiàn)在變成了4人。

這樣做的優(yōu)點是大幅縮減了參與驗證和記賬的數(shù)量，形成共識幾乎可以達到秒級，缺點是固定數(shù)量的董事作為記賬候選人，與去中心化的理念相違背，董事數(shù)量太少，參與度太低，也缺乏一定的代表性。

對比這三種最常用的共識算法，不難發(fā)現(xiàn)各有利弊，它們的誕生都圍繞著一個核心——如何更加公平、公正、透明、輕量（不過多消耗資源）、高效（更快）地達成共識，挑選出記賬的人（節(jié)點）。

PoS與DPoS對比圖：

結論：

PoW采用簡單粗暴但極為有效的方式，通過節(jié)點首先自證其資質后才進行廣播的方式，大幅度減少了網絡間的通訊壓力，但與之帶來的問題則在于自證資質的計算資源消耗極大。

PoS采用與傳統(tǒng)分布式一致性驗證類似的機制，通過代幣數(shù)量(或存儲容量等指標)作為權重依據(jù)，使用某種分布式算法選舉出每次的檢查點節(jié)點。這種機制的好處在于沒有消耗計算資源的自證資質過程，但是帶來的問題在于每次選舉時在大量節(jié)點的網絡中對網絡壓力極大。

DPoS作為PoS的變形，通過縮小選舉節(jié)點的數(shù)量以減少網絡壓力，是一種典型的分治策略：將所有節(jié)點分為***與跟隨者，只有***之間達成共識后才會通知跟隨者。該機制能夠在不增加計算資源的前提下有效減少網絡壓力，在優(yōu)秀的軟件實現(xiàn)中將會具有較強的應用價值。

在區(qū)塊鏈的共識機制中，其本質與分布式數(shù)據(jù)庫的一致性算法存在極多的相似之處。拜占庭問題的引入僅僅從算法和選舉節(jié)點數(shù)量上對網絡結構做出一些調整，但是并不從本質上改變分布式系統(tǒng)一致性選舉的機制。