区块链共识算法之POW（1）

  共识机制是区块链的核心基石，是区块链系统安全性的重要保障。区块链是 一个去中心化的系统，共识机制通过数学的方式，让分散在全球各地成千上万的节点就区块的创建达成一致的意见。共识机制中还包含了促使区块链系统有效运 转的激励机制，是区块链建立信任的基础。

    区块链公链常用的共识机制有 POW、POS、DPOS、BFT 以及多种机制混合而成的共识机制等。共识是指系统节点达成一致的过程，而分布式系统的一致性体现在三个方面:

    ◼  最终性(Termination): 所有进程最终会在有限步数中结束并选取一 个值, 算法不会无尽执行下去。

    ◼  统一性(Agreement): 所有进程必须同意同一个值。

    ◼  合法性(Validity): 输出内容是输入内容按照系统规则生成的，且输出内容合法。

    最终性衡量了达成共识的效率，在一些对交易确认的实时性要求高的场景显 得非常重要，而统一性和合法性表征了共识的安全性。在区块链系统中，去中心 化程度表征了分布式系统的大规模协作程度。因此，我们从效率、安全性和去中 心化程度这三个维度去评价各种共识机制，也就是长铗提出的著名的“不可能三 角”理论。

1. POW共识机制

        比特币采用的 POW 工作量证明共识机制，在生成区块时，系统让所有节点 公平地去计算一个随机数，最先寻找到随机数的节点即是这个区块的生产者，并 获得相应的区块奖励。由于哈希函数是散列函数，求解随机数的唯一方法在数学 上只能是穷举，随机性非常好，每个人都可以参与协议的执行。由于梅克尔树根的设置，哈希函数的解的验证过程也能迅速实现。因此，比特币的 POW 共识机 制门槛很低，无需中心化权威的许可，人人都可以参与，并且每一个参与者都无 需身份认证。

    同时，中本聪通过工作量证明的机制破解了无门槛分布式系统的“女巫攻击” 问题。对系统发起攻击需要掌握超过 50%的算力，系统的安全保障较强。

    POW 共识的优点可归纳为:

        ◼  算法简单，容易实现，节点可自由进入，去中心化程度高。

        ◼  破坏系统需要投入极大的成本，安全性极高。

        ◼  区块生产者的选择通过节点求解哈希函数实现，提案的产生、验证到共识的最终达成过程是一个纯数学问题，节点间无需交换额外的信息即可达成共识，整个过程不需要人性的参与。

    比特币系统的设定在保证安全性的的前提下，牺牲了一部分最终性。因此，POW 共识算法也存在一些问题:

    ◼  为了保证去中心化程度，区块的确认时间难以缩短。

    ◼  没有最终性，需要检查点机制来弥补最终性，但随着确认次数的增加，达成共识的可能性也呈指数级地增长。 由于这两个方面的问题，一笔交易为了确保安全，要在 6 个新的区块产生后才能在全网得到确认，也就是说一个交易的确认延迟时间大概为 1 小时，这无法 满足现实世界中对交易实时性要求很高的应用场景。

    另一方面，POW 共识算法带来了硬件设备的大量浪费。随着比特币价值的 增长，比特币算力竞赛经历了从 CPU 到 GPU，再到 ASIC 专用芯片的阶段。算力强大的 ASIC 芯片矿机将挖矿算法硬件化，而 ASIC 芯片矿机在淘汰后，没有 其他的用途，造成了大量的硬件浪费。

2.POW共识机制的回归

(1) 各种共识机制的比较

        比特币是解决了拜占庭将军问题的分布式账本，在完全开放的环境中，实现 了数据的一致性和安全性。但比特币采用的POW 共识机制被广泛质疑为:

        ◼ 消耗大量能源和硬件设备;

        ◼ 区块同步时间长，扩展性弱，TPS 低。 于是效率更高、被认为更加节能环保的 POS、DPOS、BFT 等共识机制相继 问世，并得到广泛的应用。各种共识机制的特点:

        ◼ 在 POS 共识机制下，全网节点根据权益大小按照某种规则参与区块生 产者的选举，共识过程中节点系统开放。但选举过程效率低下，同时由 于选举过程复杂，伴随着许多安全问题。

        ◼ DPOS 共识通过代理人制度，大幅度提升了 POS 共识的选举效率。但 在共识过程中，节点系统是封闭的，而且去中心化程度低

        ◼ BFT 类的共识机制性能较高并具备良好的最终性，但其容错率低，且由 于节点的扩展性问题，更加适用于相对封闭的节点系统。

   具体优缺点如下表：

共识机制	优势	劣势
POW	1. 安全稳定，节点自由度高 2. 去中心化程度高，节点系统开放	1.扩展性弱，性能低 2.没有最终性 3.造成硬件设备浪费
POS	1. 能源耗费少 2. 去中心化程度较高，节点系统开放	1.实现过程复杂  2. 存在安全漏洞
DPOS	1.能源耗费少 2. 性能高 3. 具备最终性	去中心化程度弱,节点系统相对封闭
BFT	1.性能较高  2. 具备最终性  3. 安全性好	1.去中心化程度弱，节点系统 封闭 2. 容错率低

  (2) POW 共识机制能源消耗的必要性

    正如张首晟教授所言，现实世界的熵总是在增加的6。POW 共识机制将虚拟 世界和现实世界连接起来，分布式系统中达成共识的过程是一个熵减的过程，这 需要现实世界的熵增来平衡，能量消耗即是提供熵增的平衡方式。

    相比于 POW 共识把系统的安全性交给了数学和能量消耗，POS 共识把系 统的安全性交给了人性的博弈。POS 共识是虚拟世界中的一个封闭系统，如果 共识的达成没有付出任何代价，共识的可靠性就可能存疑，人性博弈过程中的混 乱一定会暴露出来。

    POS 的升级模式 DPOS 共识机制的共识过程类似于精英代议制，是一种常 设特权的治理架构，容易产生腐化。卢梭对代议制的描述是:“民意一旦被代表， 终究会被扭曲”。DPOS 共识机制是为了效率而生的，它更加适用于对性能要求 极高的相对封闭的商业系统。

    而对于 BFT 共识机制，由于节点扩展性的缺陷，其共识节点的选择过程一 样是封闭或者需要验证的，因而也更加适用于相对封闭的应用环境。

    信任的产生是需要付出代价的，POW 共识机制所消耗的能量，不仅不是缺 陷，反而是信任产生过程中最有效的平衡机制。

(3) POW 共识在新一代公链中的大规模应用

    就现实可执行性角度而言，BitMEX 的研究报告7指出，POW 共识机制解决 了区块链分叉的选择、数字货币分发、谁产生区块、什么时间产生区块这四个问 题，而改进的 POS 共识机制只是解决了区块链分叉的选择问题，其他三个问题 都是开放的，需要更好的解决路径。

    包括 Bytom、Aeternity、Aelf、Zilliqa 在内的新一代公链都包含了 POW 共识机制，第二代公链以太坊第三阶段的 Metropolis 也仍是 POS 和 POW 的 混合体。

公链项目	共识机制
Bytom	POW : 人工智能  ASIC  芯片友好型  POW  共识机制。
Aeternity	POW+POS : POW  机制生产区块，重大决策由  POS  机制完成，赋予代币持有者权利。
Aelf	POW+POS : 主链采用  POS  共识机制，侧链采用  POW  共识机制。 POS  共识机制的管理成本很高，因而适用于主链，侧链采用 POW  共识机制可安全、自主运行。
Zilliqa	POW+PBFT : 利用  POW  共识机制的安全性对节点进行验证，验证过的节点交于  PBFT  共识机制决策。
Ethereum  第三阶段 Metropolis	POW+POS : POW  共识机制生产区块，只是在每  100  个区块处利用  POS  人为的设置检查点，赋予最终性。

    上表所列的公链共识机制选择告诉我们，尽管许多公链有自己独特的设计哲 学，但出于安全性考虑，它们依然绕不开 POW 共识机制的保护。对于开放的、 自治度高的公链环境，POW 共识机制有更好的适用性;而 POS 共识过程的管 理成本很高，在算法更改、分叉选择等重大决策过程中，POS 共识机制才有其 使用价值，但这已经是一种相对中心化的决策机制。

(4) Bytom 的 POW 共识算法

    虽然 POW 共识机制的能源消耗是一种有效的平衡机制，但是 POW 算法的 ASIC 芯片在淘汰之后的大量硬件浪费问题仍需引起关注。Bytom 采用的人工智 能 ASIC 友好型 POW 算法能够减少资源和设备浪费，提升去中心化水平，为 POW 共识机制的进化提供了一个极具建设性的方案。

    Bytom 在 POW 共识机制中引入了 Tensority 算法，是区块链挖矿和人工 智能的桥梁。Tensority 算法包含的矩阵乘法是人工智能中最通用的算法，几乎 所有人工智能设备都能友好地兼容这种算法。同时，Tensority 算法选取的数据 类型是 int8，是一种在插电型 AI 设备通用的数据类型。Tensority 算法的这些 设计可以让智能摄像头、正在充电的 AI 手机等通用型人工智能设备都能参与比 原币挖矿。Tensority 算法可能带来以下的一些场景:

    ◼  区块链共识所需的计算也可以应用于 AI 硬件加速服务，这将产生更大 的社会效益。

    ◼  人工智能友好型挖矿将扩大市场对人工智能 ASIC 芯片的需求，促进芯 片产业的发展，这与当前 GPU 友好型 PoW 区块链对 GPU 市场的提振 效应如出一辙。

    ◼  降低了矿工部署算力的成本，当矿机被淘汰或者闲置时，仍然可以用于 人工智能的加速服务，避免硬件资源的浪费。

    ◼  更多通用型人工智能设备将参与到区块链挖矿中，这将有助于扩大区块 链的渗透率。

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