一文让你明白区块链的共识机制POW

一文让你明白区块链的共识机制POW

2018-04-01 16:02    来源：链道学社

区块链的共识机制之一：工作量证明POW，是用来解决比特币随意记账的一种方法，就像我们需要毕业证书来证明我们完成大学四年的学习一样，比特币也需要通过“工作量证明”机制来确保记账的权利的宝贵性。

众所周知，普通的网上交易中，是由一个权威中心来决定交易的有效性，比如说，银行的网银，银行就充当的这个角色，由银行来证明一个交易的有效性。

而比特币没有权威中心，那么由谁来决定交易的有效性呢？那么，就有点类似于我们选举一样，由大家来投票表决，得票最多的交易，就会被认定为一个合法的交易。没有了权威中心，好像缺乏信用，然而由投票产生的交易，却是最值得信任的。所以，比特币也被一些人称为是“民主货币”。

在比特币的算法中，投票并不是一个人一票，而是一个CPU一票。那么，如果一个人想控制比特币，TA必须有足够的CPU，那么当比特币的规模越庞大，控制就越难。就好比一个人可以很容易的控制几百、几千的选票，而当选票规模越大，控制就越难。

另外，当我们在做这种投票工作，假设工作量很小的话，那么确认交易仅需要少量的运算能力，就可以完成了，这会导致伪造这种交易，也很简单，所以比特币就引入了工作量证明（Proof-of-Work）机制。在这个机制里面，对一个交易进行证明，需要耗费一定的运算能力和时间，一旦运算成功，那么就确定了一笔交易。而反过来，普通的客户端，只要进行一个很简单的运算，就可以知道这个交易是真实的，还是假冒了。这种机制，就好比在现实生活中，政府花费大量人力，对钞票进行防伪处理，而普通的民众，只需要对钞票进行简单的辨认，就可以识别真假。

在比特币中，这种工作量证明机制的算法叫做哈希现金，这种算法其实早就有了，它的原理，就是在交易的数据块中，要找到一个随机数，这种随机数包含了多个0，在计算机只能用穷举的办法，来找到这个随机数。如果我们要求的随机数中，随着0的数目增多，计算工作量呈现指数级增长。一旦我们找到了这个随机数，也就确定了一个数据块，除非对数据块进行一定的工作量运算，否则，数据块是无法更改的。

由于这种哈希算法，它是一种穷举法，如果网络上的诚实节点超过50%，基本上伪造者想伪造一个交易成功，它必将成功几率很低，但还是有概率的。

这种情况下，比特币就引入了另外一种机制，叫交易链，所有的交易，都是按时间戳，串联在一起的一个链条。就好比一条绳子上面打了很多绳结，每个绳结表示一个交易，每个绳结在时间上是有先后顺序的。而链条最长的，就被公认为为真实的交易。一个运算能力低于50%的伪造者，想伪造一个交易，那么有一定的概率，如果想伪造两个交易，并且比运算能力更强的诚实者还快，那么概率更低，而且这种概率，随着时间的推移，成功的几率呈现指数级下降。

举个例子，假如历史已经产生了100个数据块，那么一个伪造者想推翻这些交易，TA必须运算出101个数据块，这个交易链条才可能比原先的链条长。而因为诚实者的运算能力比伪造者大，所以当伪造者运算出101个数据块，其实诚实者产生的新的数据块，已经远远超过100个，原先链条的长度，已经延长至远远超过201块的长度了，伪造者还是没法超过诚实者的链条。

这种工作量证明，有一个特点，就是交易不能是实时的。首先，当前交易的数据块被运算出来后，系统特意在这个交易之后，有N个交易被计算出来后，当前交易才被确认。那么，伪造者想推翻某个交易，就需要一样生成后面N个交易数据块，这种成功概率，对伪造者趋近于0。

目前每笔比特币交易，大概需要耗时10分钟才能被确认，伪造者由于运算力更低，在10分钟内产生的数据块，对于诚实节点来说，新产生的数据块将远大于伪造者，从而导致伪造者无法成功伪造。

而比特币还引入了一种奖励机制，当诚实节点计算出一个数据块，它能得到一定数量的比特币奖励，诚实挖矿得到的比特币奖励，往往比伪造交易得到的奖励更多。

再者说，由于之前的交易已经确认，所以伪造者所攻击的，不过是把自己某次交易进行篡改。由于每个用户，对自己的比特币钱包，都拥有自己的秘钥和密码，每个人只要妥善保管好自己的密码，那么伪造者也无法制造出该用户的公钥，也就无法伪造该用户的交易。伪造者能攻击的，就是自己的交易，先发起一个交易，让接受到货币的对方，以为交易成功了，从而把货物发出去，然后伪造者再发起攻击，试图把这个交易取消。不过这种攻击的可能性，前面已经论证过了，可能性极低。

PoW依赖机器进行数学运算来获取记账权，资源消耗大、共识机制高、可监管性弱，同时每次达成共识需要全网共同参与运算，性能效率比较低，容错性方面允许全网50%节点出错。

PoW的优点：完全去中心化，节点自由进出。

PoW的缺点：目前比特币已经吸引全球大部分的算力，其他再使用PoW共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来保障自身的安全；挖矿造成大量的资源浪费；共识达成的周期较长。

使用PoW的项目有：比特币、以太坊前三个阶段——Frontier（前沿）、Homestead（家园）、Metropolis（大都会）。以太坊的第4个阶段，即Serenity（宁静），将采用权益证明机制。

作者：晓熙

来源：链道学社