區(qū)塊鏈中的PoW和PoS機(jī)制的區(qū)別是什么

前言：本文簡(jiǎn)單明了地闡述了達(dá)成共識(shí)的兩個(gè)主要流程：區(qū)塊的提議和區(qū)塊的共識(shí)達(dá)成。區(qū)塊的提議主要涉及到PoW和PoS機(jī)制，也就是工作量證明和權(quán)益證明的機(jī)制，用以抵抗女巫攻擊，安全地選出可靠的區(qū)塊提議者。區(qū)塊的共識(shí)達(dá)成則涉及到共識(shí)算法，主要包括中本聰共識(shí)和經(jīng)典共識(shí)。中本聰共識(shí)采用最長(zhǎng)鏈規(guī)則，經(jīng)典共識(shí)則可實(shí)現(xiàn)最終性。每種共識(shí)算法都有自己的權(quán)衡取舍。

區(qū)塊鏈共識(shí)是2017年和2018年最廣為討論的區(qū)塊鏈子領(lǐng)域之一。可以看到，很多公司試圖從零開始構(gòu)建新的智能合約平臺(tái)，并與以太坊競(jìng)爭(zhēng)，而其中的一個(gè)差異化或創(chuàng)新點(diǎn)就在區(qū)塊鏈的共識(shí)算法方面。試圖理解這些算法，并能對(duì)它們進(jìn)行批判性比較，這對(duì)很多加密投資者來(lái)說，都是一項(xiàng)全職工作，毫無(wú)疑問，要掌握它們并不簡(jiǎn)單。

為揭開這些“共識(shí)算法”的神秘面紗，不少人做了很多工作。但是，對(duì)于普通人來(lái)說，它們太過于技術(shù)化。一些概念，例如同步、安全/活性證明、不可能結(jié)果，這些有助于人們通局了解。不過，在我看來(lái)，對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說，完全理解并不特別重要。

本文重點(diǎn)是區(qū)塊鏈的共識(shí)算法，而沒有提及更大的也是超級(jí)復(fù)雜的分布式系統(tǒng)領(lǐng)域。為了簡(jiǎn)單易懂，還會(huì)放棄一些技術(shù)概念。

本文結(jié)束時(shí)，你應(yīng)該理解PoW和PoS的區(qū)別，了解BFT的意思，最重要的是，當(dāng)考慮在哪個(gè)區(qū)塊鏈上構(gòu)建你的應(yīng)用時(shí)，你應(yīng)該知道它們的權(quán)衡是什么。

什么是共識(shí)？為什么很重要？

簡(jiǎn)單來(lái)說，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N公共數(shù)據(jù)庫(kù)，其中用戶就什么是正確的達(dá)成一致。比特幣是記錄所有交易的公共數(shù)據(jù)庫(kù)，保留了貨幣系統(tǒng)的完整性。有兩個(gè)主要問題需要理解：

1.就什么達(dá)成共識(shí)？

2.如何達(dá)成共識(shí)？

我們需要有人提議，然后讓其他人選擇，直到達(dá)成某種形式的共識(shí)。就區(qū)塊鏈的情況，我們需要有人提議區(qū)塊，然后需要剩余節(jié)點(diǎn)接受區(qū)塊。

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子如下：

4個(gè)人嘗試并安排共同的時(shí)間來(lái)做事。每個(gè)人提出其可用時(shí)間（空白格）。可以看到，有兩個(gè)共同可用的時(shí)間段，下午2點(diǎn)和6點(diǎn)。他們?nèi)绾芜_(dá)成共識(shí)？在他們提出可用時(shí)間前，他們同意一個(gè)特定規(guī)則：每個(gè)人必須選擇最早的共同可用時(shí)間。在這種規(guī)則下，這意味著，他們將會(huì)在下午2點(diǎn)而不是下午6點(diǎn)見面。由此，他們達(dá)成了共識(shí)。

按照這種框架，我們將它類比擴(kuò)展到比特幣區(qū)塊鏈：

人們就什么達(dá)成共識(shí)？

人們就區(qū)塊數(shù)據(jù)達(dá)成共識(shí)。區(qū)塊中包含有效的比特幣交易。在比特幣中，任何人都可以提議區(qū)塊，只要他們率先解決一個(gè)計(jì)算謎題（PoW）。

人們?nèi)绾芜_(dá)成共識(shí)？

人們同意接受最長(zhǎng)鏈上的區(qū)塊。例如，如果鏈A的高度為100，而鏈B的高度為200，如果你收到鏈A上的區(qū)塊101和鏈B上的區(qū)塊201，你必須接受區(qū)塊201。有人在更短的鏈上添加區(qū)塊，可能是因?yàn)樗麄儧]有意識(shí)到更長(zhǎng)的鏈，但“最長(zhǎng)鏈規(guī)則”確保一旦區(qū)塊在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳播，每個(gè)人最終就相同的事情達(dá)成共識(shí)。

該框架支持所有共識(shí)算法。不同算法可以采用不同的方法來(lái)提議區(qū)塊，也可以使用不同的方式來(lái)對(duì)區(qū)塊達(dá)成共識(shí)。

提議區(qū)塊

考慮區(qū)塊提議時(shí)，最大的問題是誰(shuí)來(lái)提議區(qū)塊。如果任何人隨時(shí)都可以提議區(qū)塊，會(huì)很難達(dá)成共識(shí)，因?yàn)檫@類似于人們不停地相互交談。必須以某種方式選出代表，這樣剩余的人可以一次看到一個(gè)提議。

最幼稚的方式是讓協(xié)議隨機(jī)選擇一個(gè)人來(lái)提議新區(qū)塊。然而，在互聯(lián)網(wǎng)上，一個(gè)人可以通過運(yùn)行相同程序的一百個(gè)實(shí)例來(lái)偽裝成一百個(gè)人。因此，我們需要?jiǎng)?chuàng)造某種形式的稀缺性，以抵抗女巫攻擊。（藍(lán)狐筆記注：女巫攻擊主要是指網(wǎng)絡(luò)中的少數(shù)節(jié)點(diǎn)控制多個(gè)虛假身份，并利用這些身份控制網(wǎng)絡(luò)中大量正常節(jié)點(diǎn)的攻擊方式。）。

因此，這個(gè)游戲必須能夠抵擋單一黑客操縱很多人的攻擊。這正是PoW和PoS給你帶來(lái)的：一種讓計(jì)算機(jī)受到某些資源限制的方式。（藍(lán)狐筆記注：也就是說，通過設(shè)立門檻，比如PoW的算力投入和PoS的代幣投入，通過競(jìng)爭(zhēng)性的方式，解決了誰(shuí)有資格提議區(qū)塊并由此獲得獎(jiǎng)勵(lì)的問題。）

PoW如下：為獲得提議區(qū)塊的權(quán)利，你必須率先完成計(jì)算密集型的任務(wù)。模擬一個(gè)虛擬的計(jì)算機(jī)拋硬幣任務(wù)，直到它得到連續(xù)100次的虛擬硬幣的正面。這是計(jì)算密集型的，沒有人能偽裝成一百人，因?yàn)檫@受制于其算力。

然而，通過采用這種“抗女巫攻擊”機(jī)制，人們已經(jīng)建立了數(shù)千臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的礦場(chǎng)，以便在算力競(jìng)爭(zhēng)中勝出，從而獲得提議區(qū)塊的權(quán)利。這些服務(wù)器礦場(chǎng)消耗巨量電力，因此它們集中于可獲得最便宜電力的國(guó)家或地區(qū)。

那么，當(dāng)大多數(shù)比特幣礦工位于中國(guó)時(shí)，這對(duì)于去中心化意味著什么？這種地理上的中心化給系統(tǒng)的長(zhǎng)久性構(gòu)成了真正的威脅，因?yàn)檫@些挖礦公司很容易被監(jiān)管。

PoS采用了跟PoW完成不同的“抗女巫攻擊”機(jī)制。既然要花錢購(gòu)買比特幣挖礦計(jì)算機(jī)和購(gòu)買電力，那么，為什么不只是用錢來(lái)選擇區(qū)塊生產(chǎn)者并將計(jì)算密集型過程跳過呢？PoS是這樣的想法：基于人們?cè)谙到y(tǒng)中質(zhì)押的錢多少來(lái)選擇區(qū)塊提議者，也就是人們?cè)谙到y(tǒng)中擁有的代幣的比例。

在PoW中，擁有算力越多，被選為提議下個(gè)區(qū)塊的概率就越高。在PoS中，擁有的代幣越多，成為區(qū)塊生產(chǎn)者的概率就越高。

請(qǐng)注意，還沒有開始談?wù)撊绾尉蛥^(qū)塊達(dá)成共識(shí)。有一種常見的誤解，認(rèn)為PoW和PoS是共識(shí)算法。其實(shí)它們不是。它們只是通過約束稀缺資源的方式來(lái)選擇區(qū)塊生產(chǎn)者。

區(qū)塊共識(shí)

這是事情變得有趣的地方，也是近年來(lái)大部分創(chuàng)新發(fā)生的地方。一旦有人提議區(qū)塊，我們?nèi)绾芜_(dá)成共識(shí)？這是從上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)計(jì)算機(jī)科學(xué)家們一直試圖解決的問題，以在一些計(jì)算機(jī)偶爾發(fā)生崩潰時(shí)，其計(jì)算機(jī)集群也能同步。到了上世紀(jì)90年代，這些計(jì)算機(jī)科學(xué)家開始思考一個(gè)更難的問題：如果黑客可以控制其中的一些計(jì)算機(jī)呢？（藍(lán)狐筆記注：這兩個(gè)問題的區(qū)別在于，一個(gè)只是計(jì)算機(jī)部分崩潰，另一個(gè)是計(jì)算機(jī)沒有崩潰，而被惡意控制。）

他們能否構(gòu)建足夠強(qiáng)健的系統(tǒng)，以確保所有非惡意的計(jì)算機(jī)依然能夠達(dá)成共識(shí)？這一特性被稱為“拜占庭容錯(cuò)”（BFT），它是基于拜占庭將軍問題而來(lái)。BFT系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)小的研究課題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)并不需要這種級(jí)別的穩(wěn)健性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)計(jì)算機(jī)集群通常都屬于單一公司。直到區(qū)塊鏈的到來(lái)，才改變了這一局面。

在區(qū)塊鏈中，任何人都可以運(yùn)行節(jié)點(diǎn)（集群中的計(jì)算機(jī)），并且可以向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息或數(shù)據(jù)。這是一個(gè)真正對(duì)抗性的環(huán)境，因?yàn)閻阂庑袨檎呖梢约傺b為誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)。例如，如果集群中的10個(gè)惡意計(jì)算機(jī)向其他9個(gè)計(jì)算機(jī)發(fā)送沖突信息，該怎么辦？

由于誠(chéng)實(shí)計(jì)算機(jī)無(wú)法區(qū)分惡意和非惡意的計(jì)算機(jī)，這個(gè)問題變得非常棘手。解決這個(gè)問題有兩種主要方法：中本聰共識(shí)和經(jīng)典共識(shí)。

中本聰共識(shí)

中本聰共識(shí)用于比特幣和大多數(shù)PoW系統(tǒng)中，由中本聰開創(chuàng)。它有一條單一規(guī)則：“當(dāng)你看到提議的區(qū)塊擁有最多工作量證明，就接受它?！蓖ǔ?lái)說，具有最高編號(hào)的區(qū)塊擁有最多工作量證明。（藍(lán)狐筆記注：也就是比特幣的最長(zhǎng)鏈規(guī)則，這是一種概率性的確認(rèn)，確認(rèn)的區(qū)塊深度越長(zhǎng)，交易越難被逆轉(zhuǎn)。）

這意味著，對(duì)于你看到的區(qū)塊是否“正確”，你永遠(yuǎn)沒有100%的確定。例如，如果你看到的最高區(qū)塊編號(hào)是99，你可以在區(qū)塊編號(hào)100接收到區(qū)塊A，因此你接受了。

突然，你在區(qū)塊編號(hào)103收到區(qū)塊B，而它在區(qū)塊編號(hào)100有不同的區(qū)塊。根據(jù)共識(shí)規(guī)則，你需要“反轉(zhuǎn)”之前接受的區(qū)塊A，轉(zhuǎn)而接受新的區(qū)塊歷史。

在這個(gè)系統(tǒng)中，超過系統(tǒng)算力50%的攻擊者將能夠持續(xù)構(gòu)建最長(zhǎng)鏈，因此，可以創(chuàng)建他們想要的任何區(qū)塊。通過這個(gè)例子，我們可以看到這些規(guī)則有助于人們就哪一條鏈?zhǔn)强山邮艿逆溸_(dá)成一致。

經(jīng)典共識(shí)

在中本聰共識(shí)2009年發(fā)明之前，計(jì)算機(jī)科學(xué)家對(duì)此問題有不同的解決方案，這問題有不同的特性。第一個(gè)拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法稱為實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法（PBFT）。它的工作原理是：讓一組參與者進(jìn)行多輪投票，直到一定比例的投票者達(dá)成共識(shí)。

基于PoS之類的機(jī)制，選擇某人提議區(qū)塊。他將區(qū)塊發(fā)送給其他已知的參與者。由其他參與者進(jìn)行投票。

由于大多數(shù)參與者都對(duì)區(qū)塊投贊成票，系統(tǒng)中的每個(gè)人都將接受該區(qū)塊作為正確區(qū)塊。使用這種類型的共識(shí)，須有一組已知的投票者，但一旦他們投票通過，區(qū)塊就有了最終性。因此，就不存在區(qū)塊回滾的事情。如果存在爭(zhēng)議，那么系統(tǒng)會(huì)停止。（藍(lán)狐筆記注：經(jīng)典共識(shí)的最終確定性，與中本聰共識(shí)的概率性形成鮮明對(duì)比。）

PBFT算法已經(jīng)被用在區(qū)塊鏈上，區(qū)塊鏈中迄今為止，最突出的BFT算法是Tendermint Core。Tendermint Core是區(qū)塊鏈上第一個(gè)不使用中本聰共識(shí)的共識(shí)算法，而是基于20多年的計(jì)算機(jī)科學(xué)研究基礎(chǔ)上。

BFT算法的主要局限是它們通常僅限于一小部分投票者，因?yàn)樗型镀闭叨夹枰孪戎?。?0萬(wàn)人不斷地與其他人溝通以達(dá)成共識(shí)是極其困難的事情。到目前為止，Cosmos已經(jīng)運(yùn)行了可能是最大的公共BFT系統(tǒng)之一，他們的Game of Stakes測(cè)試網(wǎng)有超過200+的驗(yàn)證者參與。（藍(lán)狐筆記注：Harmony的驗(yàn)證者已經(jīng)超過了200+。）

中本聰共識(shí)有其他變種，例如GHOST（新評(píng)分算法，不僅僅是最長(zhǎng)鏈），也有其他BFT共識(shí)的變種，例如Casper-BFT和Thunderella。

這些共識(shí)算法變種的主要區(qū)別實(shí)際上只是其區(qū)塊提議方式的不同或參與共識(shí)的溝通人數(shù)不同而已。大多數(shù)情況下，在一個(gè)算法系列中，它們之間有類似的權(quán)衡。還有一些新的共識(shí)形式，例如Avalanche，它們不屬于任何一個(gè)系列。

如何選擇共識(shí)算法？

根據(jù)你想構(gòu)建的應(yīng)用類型，下面是選擇哪種共識(shí)算法的指南問題，由此也會(huì)涉及到選擇何種智能合約平臺(tái)。

1.你要構(gòu)建的應(yīng)用對(duì)最終性的急需程度？

對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說，最終性非常重要，而另外一些應(yīng)用，則不那么重要。如果你構(gòu)建的是用于微支付的新型支付系統(tǒng)，交易可以逆轉(zhuǎn)并不是世界的末日。類似地，如果你構(gòu)建的是去中心化的社交網(wǎng)絡(luò)，100%保證狀態(tài)更新立即完成并非是一個(gè)特別重要的特性。相反，如果你構(gòu)建的是去中心化的交易所，最終性是用戶體驗(yàn)中至關(guān)重要的部分。讓交易逆轉(zhuǎn)比不發(fā)生交易還要糟糕。作為參考，比特幣的最終性大約是1小時(shí)左右（藍(lán)狐筆記注：比特幣6個(gè)區(qū)塊確認(rèn)完成，基本上可以確認(rèn)交易完成，但這也不是100%的最終性，不過在6個(gè)區(qū)塊確認(rèn)之后，要逆轉(zhuǎn)交易的難度非常之大。）以太坊的最終性大約6分鐘左右，而Tendermint Core有1秒的最終性。

2.你要構(gòu)建的應(yīng)用所需的快速程度？

如果你構(gòu)建的是游戲應(yīng)用，每個(gè)動(dòng)作前需要等待15秒鐘（甚至更長(zhǎng)時(shí)間）是否合理？由于以太坊的區(qū)塊時(shí)間，基于以太坊區(qū)塊鏈構(gòu)建的游戲用戶體驗(yàn)糟糕，因?yàn)樗耐掏铝刻?。然而，一個(gè)轉(zhuǎn)讓房屋證書所有權(quán)的應(yīng)用可能非常適合在以太坊上運(yùn)行。使用Cosmos SDK構(gòu)建應(yīng)用，允許開發(fā)者使用現(xiàn)成的Tendermint Core，它有更短的區(qū)塊時(shí)間和高吞吐量，每秒最高可以達(dá)到10，000筆交易。你可以通過為你的應(yīng)用設(shè)置更少的驗(yàn)證者數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，因?yàn)榭梢詼p少通信開銷，提高應(yīng)用處理速度。

3.你要構(gòu)建的應(yīng)用所需的“去中心化”程度？

一些應(yīng)用，比如游戲，可能并不需要顯著的抗審查特性，這只是去中心化的副產(chǎn)品。在理論上，驗(yàn)證者可以創(chuàng)建卡特爾以及在游戲中實(shí)現(xiàn)區(qū)塊/逆轉(zhuǎn)交易以獲取利潤(rùn)，這些在應(yīng)用中真的重要嗎？如果它不那么重要，類似于EOS的區(qū)塊鏈可能適合你的應(yīng)用場(chǎng)景，因?yàn)樗懈斓慕灰姿俣惹覠o(wú)需費(fèi)用。

然而，有的應(yīng)用，比如自治銀行，它對(duì)去中心化要求很高。盡管以太坊被認(rèn)為是去中心化的，但有些支持者聲稱，以太坊礦池的集中也是其中心化趨勢(shì)一個(gè)重要體現(xiàn)，事實(shí)上，它只有11個(gè)驗(yàn)證者（礦池）。

構(gòu)建自己的區(qū)塊鏈而不是基于其他智能合約平臺(tái)來(lái)構(gòu)建應(yīng)用的一大好處是，你可以為自己應(yīng)用定制驗(yàn)證方式。然而，構(gòu)建自己的區(qū)塊鏈非常困難，因此，從這方面來(lái)說，使用Cosmos SDK非常有用，可以輕松構(gòu)建自己的區(qū)塊鏈，并自定義應(yīng)用所需的去中心化程度。

4.如果系統(tǒng)停止是否可以接受？

如果你構(gòu)建的是類似于去中心化的共享騎行應(yīng)用，那么，確保服務(wù)全天候運(yùn)行可能是最高優(yōu)先級(jí)的，即使出現(xiàn)一些偶然的錯(cuò)誤，例如交易被逆轉(zhuǎn)。

Tendermint Core的一個(gè)屬性是，如果網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證者之間存在分歧，網(wǎng)絡(luò)將選擇停止，而不是進(jìn)行不正確的交易。一些應(yīng)用，例如去中心化的交易所應(yīng)用，需要不惜一切代價(jià)確保正確性。如果存在問題，可以暫停去中心化交易，而不是進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)的交易。

結(jié)論

不存在單個(gè)“最好”的共識(shí)算法。每個(gè)算法都有它自己的權(quán)衡取舍。但是，通過理解共識(shí)流程（提議和達(dá)成共識(shí)），并建立一個(gè)框架來(lái)思考你的應(yīng)用可能需要何種共識(shí)算法，能有助于你在選擇區(qū)塊鏈時(shí)，做出更明智的決策。當(dāng)然，還有其他因素需要考慮，例如開發(fā)者工具、社區(qū)等。

總的來(lái)說，PoW和PoS并不是共識(shí)算法。它們是“抗女巫攻擊”的機(jī)制，可以幫助挑選區(qū)塊提議者。

兩種主要的共識(shí)家庭是中本聰共識(shí)和經(jīng)典共識(shí)。這些算法用于就區(qū)塊鏈中的區(qū)塊達(dá)成共識(shí)。每種共識(shí)算法都有自己的權(quán)衡取舍。根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)景來(lái)選擇共識(shí)算法和智能合約平臺(tái)。要考慮的因素：

l 最終性

l 速度

l 去中心化程度

l 活性