探索完美方案 哪种共识机制能架起区块链灵魂?

在区块链领域，人们从未停止过对更优共识机制的探索。

区块链为什么需要共识机制，说到这个问题，网络上广为流传的通俗解释是，想一想拜占庭将军问题：一组拜占庭将军分别各率领一支军队共同围困一座城市。为了简化问题，将各支军队的行动策略限定为进攻或撤离两种。因为部分军队进攻部分军队撤离可能会造成灾难性后果，因此各位将军必须通过投票来达成一致策略。系统的问题在于，将军中可能出现叛徒，他们不仅可能向较为糟糕的策略投票，还可能选择性地发送投票信息。

简单看来，拜占庭将军问题是一个协议问题，只有完全达成一致的努力才能获得胜利。基于这样的问题存在，我们需要达成共识。

目前区块链上的共识机制有很多，主要的有工作量证明、权益证明、股份授权证明三种机制。

工作量证明（Proof of Work，简称PoW）：即比特币的共识形式。

作为比特币的底层技术，区块链解决的一个核心问题是双花问题，即它需要让分布式节点达成一个统一的认可，这需要一定的方式确定哪些节点是合法的存在，哪些是不合法的存在。

中本聪提出了PoW机制，即比特币在区块生成的过程中使用了PoW机制。通过一种易于校验的计算，看网络中哪一个节点率先找到随机数，通过校验，就可以产生区块，广播获得节点认可之后就形成了区块链。

简单来说，基于PoW共识机制，通过算力运算，暴力寻找随机数，谁家找到随机数，就认可了这个区块。一般而言，当节点拥有全网n%的算力时，该节点n%的概率找到区块链哈希值。

可以说， PoW的过程是系统外输入，即需要大量的运算，在这个过程中，需要成本的消耗。大量的运算需要更高的算力，从而产生了PoW挖矿的一系列产业生态。从上游的芯片设计公司、芯片生产企业；到中游的整机制造业；再到矿机运送到矿场，选取低廉的电力，连接到矿池，最后拿到区块的奖励。

PoW挖矿是为了追求区块的奖励，从金融层面来看，是追求一个中期的看涨期权。但从套利来讲是一种非确定性套利。因为挖矿的难度和价格的曲线一般不会完全匹配，矿工需要承担价格暴涨暴跌与获利之间的时间差等风险。由此当比特币市场价格低于挖矿成本价时，矿工会选择关机等待，高点卖币从而获得较高的收益等。

从PoW机制的过程来看，其优势明显，是完全的去中心化，允许节点自由进入。但其也存在一些问题。首先是其依赖机器进行运算并获取记账权的过程造成了巨大的资源消耗。每次达成共识需要全网共同参与计算，性能效率较低。此外，全球芯片厂商垄断芯片，廉价电力需求造成挖矿集中在某些国家和地区等。矿工要承担周期性的风险。当其中的开发者和矿工产生分歧时，不利于区块链快速迭代，例如此前的扩容之争，这里不多做表述。但总体来看，这是迄今为止分配最公平并且最安全的共识机制。

权益证明（Proof of Stake，简称PoS）：由“Quantum Mechanic”2011年在比特币论坛上首先提出，后经Peercoin（点点币）和NXT（未来币）以不同的思路实现。

PoS共识机制要求节点提供拥有一定数量的代币证明来获取竞争区块链记账权的一种分布式共识机制。如果单纯依靠代币余额来决定记账者必然形成更极端的马太效应，所以在持币多少上会加入其它因素的限制，保证一定的公平性。未来以太坊也会从目前的POW机制转换的POS机制。

如果说，PoW中，用户采用1万美元购买矿机并加入网络来挖矿以此产生区块，从而获得奖励。那么在PoS中，用户可以拿同样1万美元购买等价的代币，将代币当做押金放入PoS机制中，这样用户就有机会产生新区快而得到奖励，不过PoS依赖于系统内输出，跟现实世界没有直接关联，这是一个产生新币并分发给投票用户的过程，是通胀性收益方式。

PoS的优点显而易见，它根据每个节点所占代币的比例和时间，等比例的降低挖矿难度，从而加快找到随机数的速度。在一定程度上缩短了共识达成的时间，不再需要大量消耗能源去挖矿。但PoS同样是不完美的，还是需要进行“挖矿”，本质上没有解决商业应用的痛点，理论上还存在其他攻击的影响（例如以太坊的DAO攻击事件，造成以太坊硬分叉，ETC出现证明硬分叉的失败）。

反映到用户参与度上，PoS实际上对小额持币人并不友好。类比传统金融中，大金融机构收益较高。PoS的收益和币龄和持币数量有关，所以对小额的持币者不友好，普通投资人很难有效参与到PoS的生态。PoW是通过矿机，通过物理来产生收益，而PoS通过数字资产的投票。投票过程中，势必会触碰到核心资产的安全，所以资产安全门槛高。抵押代币，即持币人锁仓的过程总，时间较长，持币人要承担较高的机会成本。

不过，因为PoS还处于早期，其通胀性收益仍存在较好的套利机会。此外，随着市场上一系列相应的金融衍生方式的出现，用户或许可以通过获得较为安全专业的服务，增加更多的确定性收益。

市场上有很多声音指出，2019年或许是PoS挖矿的元年，正是看中了其存在的早期参与并获利的优势。可以说，PoW发展了10年时间已达到百亿美金的市值，而PoS刚刚起步，目前全球已有80多条公链支持PoS，预计会成为一个独角兽。

股份授权证明（DPoS机制）：它与PoS的主要区别在于节点选举若干代理人，由代理人验证和记账。

DPoS机制类似于董事会投票，持币人透出一定数量的节点，进行代理验证和记账。DPoS机制投票模式可以每30秒产生一个区块，并且在正常网络条件下，区块链分叉的可能性及其小，即使发生也可以较快的得到解决。过程简化为：成为网络代表；授权投票；保持忠诚；抵抗攻击。

DPoS让同步确认的节点越来越少，其速度也会越来越快，EOS只有21个节点，某些DPOS公链只有19个节点。在DPOS的基础上，公链项目开始打开了更多的思路，因为DPOS已经开始了弱中心化的趋势。但该共识机制仍然不能完美解决区块链在商业中的应用问题，因为该共识机制无法摆脱对于代币的依赖，而在很多商业应用中并不需要代币的存在。

从PoW、PoS到DPoS，人们的探索并未停止。诸如投注共识（以太坊下一代共识机制Casper引入的全新概念，属于PoS）、瑞波共识机制（初始节点列表像一个俱乐部，新成员的接纳需要俱乐部中51%会员投票通过）、Pool验证池、实用拜占庭容错、授权拜占庭容错、帕克索斯算法等。

时至今日，没有一种共识机制是完美无缺的，这意味着没有一种共识机制是适合所有的应用场景的。也许在未来——生命会自己找到出路。