區(qū)塊鏈主流共識算法的淺析
工作量證明（Proof of Work）
區(qū)塊鏈共識算法中最常見的是比特幣的工作量證明機制，它主要有兩個功能：一是保證區(qū)塊鏈的下一區(qū)塊是唯一正確的塊，二是防止強大的敵手干擾區(qū)塊鏈系統(tǒng)從而導(dǎo)致區(qū)塊鏈分叉。
工作量證明中，礦工通過競爭解決密碼學(xué)難題來完成下一個塊的增加和區(qū)塊鏈的擴展，如圖1所示為比特幣工作量證明的簡圖；參與挖礦的礦工競爭將前一區(qū)塊的hash與一個隨機的比特串一起來計算出一個hash值，若輸出的hash值滿足前若干比特為0，即為解出了該難題。***個解出難題的人獲得擴展一個塊的機會，并且能夠獲得一定量新挖出的比特幣以及一小筆交易費作為其工作量的獎勵。
盡管比特幣的工作量證明機制是個非常杰出的共識設(shè)計，但并不是***的。最常見的對工作量證明的質(zhì)疑有兩點：一是消耗算力巨大，不適合大規(guī)模系統(tǒng)，并且交易的確認(rèn)時間需要10-16分鐘，不能滿足實時性需求；二是大多數(shù)挖礦活動集中在電力成本較低的區(qū)域，形成了局部中心化的趨勢。
圖1 比特幣系統(tǒng)中工作量證明示意圖
比特幣的創(chuàng)造者Satoshi Nakamoto讓人們初步認(rèn)識到區(qū)塊鏈改變未來世界的巨大潛力，但落實到具體應(yīng)用，仍需要進一步探索更快速的、更加去中心化以及資源效率更高的共識算法。為此，許多互聯(lián)網(wǎng)、計算機科學(xué)、金融、工業(yè)等行業(yè)的學(xué)者和業(yè)界人士進行了不斷的探索，并提出了若干代替性的區(qū)塊鏈共識方案，其中最有影響力的是權(quán)益證明（Proof of Stake）共識算法。
權(quán)益證明（Proof of Stake）
權(quán)益證明共識是代替工作量證明的共識機制中最完善和受到最多關(guān)注的，其共識的達成不需要參與者投入昂貴的計算機設(shè)備來參與挖礦競爭。相對于以比特幣為代表的工作量證明共識系統(tǒng)中的礦工而言，基于權(quán)益證明共識的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，參與者的角色是驗證者Validator，他們只需要投資系統(tǒng)的代幣并在特定時間內(nèi)驗證自己是否為下一區(qū)塊創(chuàng)造者，即可完成下一區(qū)塊的創(chuàng)建。如圖2所示為權(quán)益證明的簡要示意圖。下一區(qū)塊創(chuàng)造者是以某種確定的方式來選擇，被選中的驗證者將合適的交易打包成塊并發(fā)布到區(qū)塊鏈上。驗證者被選中為下一區(qū)塊創(chuàng)造者的概率與其所擁有的系統(tǒng)中代幣的數(shù)量成正比例，簡單來說即擁有300個代幣的驗證者被選中為下一區(qū)塊創(chuàng)造者的概率是即擁有100個代幣驗證者的3倍。
由于權(quán)益證明中創(chuàng)造區(qū)塊不需要算力資源等高成本，區(qū)塊創(chuàng)造者不會獲得區(qū)塊獎勵，但可以獲得一定數(shù)額的交易打包費用。用權(quán)益證明共識產(chǎn)生區(qū)塊和擴展區(qū)塊鏈的方式也比比特幣中用工作量證明的共識效率提高上千倍，并且大大節(jié)約了資源。
圖2 權(quán)益證明共識簡圖
權(quán)益證明共識中一旦驗證者創(chuàng)建了一個塊，該塊也需要提交到區(qū)塊鏈上。不同的權(quán)益證明系統(tǒng)對提交過程的處理方式不同。
一個典型的例子是Tendermint，其系統(tǒng)中的每個節(jié)點都必須在每一個塊上簽名（在此過程中的角色稱為“簽名者”），直至達成了大多數(shù)節(jié)點對區(qū)塊驗證和記錄到鏈上的共識；在其他一些系統(tǒng)中，選擇一組隨機的節(jié)點進行簽名即可達成共識。
權(quán)益證明有效率高、節(jié)約資源的優(yōu)點，但同時也面臨著一些潛在的現(xiàn)實風(fēng)險，業(yè)內(nèi)研究者通常將其表述為nothing-at-stake問題，意即區(qū)塊創(chuàng)造者和區(qū)塊驗證者完成各自的工作所投入的成本都極低，因而違背系統(tǒng)協(xié)議作惡的損失也很小。基于理性人的自利假設(shè)，參與者難免會出現(xiàn)做惡的情況，例如區(qū)塊創(chuàng)造者同時創(chuàng)造2個塊并收取兩筆交易費，或者簽名者同時簽名2個塊以獲得2筆工作報酬。這些都與系統(tǒng)協(xié)議中同一時間段只能產(chǎn)生一個合法的區(qū)塊且簽名者不可對不合法的區(qū)塊簽名的規(guī)范相違背。
在新興的“加密經(jīng)濟學(xué)”領(lǐng)域，區(qū)塊鏈工程師們正在探索解決這些問題的方法。其中一個解決方案是要求驗證者將其擁有的系統(tǒng)代幣鎖定在一種虛擬保險庫中。如果驗證者試圖對系統(tǒng)進行雙重簽名或同時產(chǎn)生多個塊進行分叉，那么這些代幣就會被全部或部分罰沒。類似的改進機制也在不同的采用權(quán)益證明的區(qū)塊鏈系統(tǒng)被提出并進行了許多實踐。
Peercoin是***個將權(quán)益證明實現(xiàn)的代幣，其次是blackcoin和NXT。此外，以太坊最早依賴于工作量證明共識，但正計劃在2018年初遷移到權(quán)益證明,提出Casper試圖解決工作量證明和權(quán)益證明中的問題。Decred采用的是工作量證明和權(quán)益證明的混合共識方案。
其他共識算法
除了工作量證明和權(quán)益證明外，區(qū)塊鏈相關(guān)的研究者還提出了委托權(quán)益證明（Delegated Proof of Stake，DPOS）、實用拜占庭容錯共識（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）和Proof of Concepts等具有廣泛應(yīng)用價值的共識方案,下文簡介DPOS和PBFT。
（1）委任權(quán)益證明DPOS
DPOS是權(quán)益共識的一種改進版本，共識過程不再需要所有參與節(jié)點的大多數(shù)通過，而是委托部分代表來進行，這樣可以進一步提高共識效率，也能較好地處理系統(tǒng)節(jié)點不在線的問題。在比特股（Bitshare）系統(tǒng)中采用的DPOS共識的原理是讓每一個持有比特股的人進行投票，由此產(chǎn)生101位代表, 他們彼此的權(quán)利完全平等，可以將其理解為101個超級節(jié)點或者礦池。
從某種角度來看，DPOS與議會制度或人民代表大會制度有相似之處。如果代表不能履行他們的職責(zé)，例如當(dāng)輪到他們產(chǎn)生區(qū)塊時沒能按時生成，他們會被除名，繼而網(wǎng)絡(luò)會選出新的超級節(jié)點來將其取代。采用DPOS共識的系統(tǒng)通常都會采用經(jīng)濟方面的獎勵和懲罰機制來達成更穩(wěn)定的共識。
（2）實用拜占庭容錯共識PBFT
PBFT是一種基于嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明的算法，需要經(jīng)過三個階段的信息交互和局部共識來達成最終的一致輸出?？梢宰C明，系統(tǒng)中只要有三分之二以上比例的正常節(jié)點，就能保證最終一定可以輸出一致的共識結(jié)果，盡管達成共識的時間不確定。
實用拜占庭容錯協(xié)議的缺點在于不適用于大規(guī)模的節(jié)點共識，因為隨著節(jié)點規(guī)模的增大，達成共識需要的時間大大增加，不符合效率需求。許多相關(guān)研究人員在探討改進拜占庭協(xié)議，以解決不同應(yīng)用場景下的效率問題。
總結(jié)
共識算法的性能直接影響著分布式系統(tǒng)的性能，例如安全性、魯棒性、共識成本和效率等。如何在兼顧安全性和魯棒性的基礎(chǔ)上提高效率是一個需要持續(xù)討論和研究的重點。目前關(guān)于區(qū)塊鏈共識的各種研究也在根據(jù)具體應(yīng)用場景做出多方面的改進，除了技術(shù)方案的改進之外，還需要結(jié)合經(jīng)濟和社會等因素尋找更加有針對性、更加完善的解決方案。
總的來說，對于區(qū)塊鏈共識方案的研究為分布式系統(tǒng)中的一致性問題提供了較好的解決方案，目前已經(jīng)有一些算法能較好地解決分布式系統(tǒng)中的共識等問題，在EUROCRYPT,ACM, Cryptology ePrint Archive等高水平會議、刊物上也有高質(zhì)量的文章發(fā)表，對于上述問題進行了更深刻和前瞻性的探討，但該領(lǐng)域仍然由許多問題有待解決，仍有很大的研究價值和發(fā)展空間。
【本文為51CTO專欄作者“中國保密協(xié)會科學(xué)技術(shù)分會”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者】
