我们先从常见的拜占庭将军问题来了解什么是共识。拜占庭将军问题拜占庭位于现在的土耳其伊斯坦布尔，是东罗马帝国的首都。由于当时拜占庭罗马帝国幅员辽阔，为防御起见，各支军队都隔得很远，将军们只能靠使者传递消息。战争期间，拜占庭军队中的所有将军和副官必须达成共识，决定自己是否有胜算，然后才能进攻敌方阵营。但是，军队中可能出现内奸和敌特，影响将领的决策，扰乱全军秩序。武将采用投票策略来决定进攻还是撤退，也就是说，如果大多数人决定进攻，他们就冲上去，如果大多数人决定撤退，他们就撤退（例如，如果10个将军中有6个选择攻击，然后攻击）。这时候，在成员已知造反的情况下（或者在间谍的情况下，他们乱投票，或者擅自修改军令），剩下的忠臣将军又如何能在不受汉奸影响的情况下达成共识？拜占庭问题就这样形成了。拜占庭将军问题是一个协议问题。拜占庭帝国军队的将领必须一致决定是否攻击某支敌军。问题是武将异地，武将中有内奸。叛徒可以随意行动以达到以下目的：诱使某些将军采取进攻行动；促成并非所有将军都同意的决定，例如在将军不想进攻时促使他们采取进攻行动；或混淆某些将军，使他们无法做出决定。如果叛徒达到了其中一个目的，那么任何进攻行动的结果都注定要失败，只有通力合作才能取胜。因此，拜占庭将军是分布式系统中的共识问题，也是分布式容错系统中的问题。拜占庭将军问题不是让将军们达成进攻的决定，而是让所有忠诚的将军们达成共识，要么全部进攻，要么全部撤退，这样才不会被敌人一一击破。目前，拜占庭将军问题的经典解决方案有很多，比较常见的有实用拜占庭容错系统（PBFT）和Raft。PBFT求解的前提是n≥3t+1，其中t为故障节点数（即叛将数），n为节点总数（即所有故障节点总数）将军）。尽管这些方法可以达成共识并具有各自的优势，但它们都具有不同的假设和局限性。目前，在区块链系统中，PBFT和Raft是联盟链和私有链上常用的共识算法，而在公有链上，常用的共识算法有POW、POS、DPOS等。区块链的共识是我们平时支付的时候一般都是用支付宝刷卡。事实上，并没有实际的货币转账，只是支付宝在其数据库中记录了一个账户。现在的货币体系其实是一种记账货币，记账主体是国家央行或者支付宝等第三方机构。这是一种集中簿记的形式。中心化记账虽然效率很高，但也面临着各种各样的问题，比如中心化节点导致的单点故障，万一一颗流星正好落在阿里巴巴的数据库机房；某天阿里巴巴数据库管理员心情不好，然后把数据库删了就跑。当然，这些事件发生的可能性很小，但黑天鹅事件要么没有发生，要么就是毁灭性的打击。所以，对于这种可能发生的小概率事件，解决方案一般都是以预防为主，比如备份数据，多建几个分布式节点，对人员进行SOP培训等。另一种解决方案是使用更可靠和更安全的系统。区块链的去中心化记账从技术上解决了上述中心化记账的弱点。因为它没有中心节点，通过计算机算法、密码学、经济学，结合智能合约，点对点传输，不可篡改。区块链的每一个区块都相当于一个账本页，每一个区块都记录着对应的交易内容。然而，去中心化记账行为中一个非常重要的问题是各节点账本的一致性。从去中心化账本系统的角度来看，每个加入系统的节点都需要保存一份完整的账本，但是两个节点不能同时保存账本，因为节点处于不同的环境，接收到的交易信息是不一致的。如果同时记账，会导致账目不一致。因此，需要一个共识机制来：公平公正地决定由哪个节点来记账。目前常用的有POW、POS等。一个节点在记账后保持全网账本的同步。目前普遍采用最长链策略。POW：ProofofWork，工作量证明比特币系统设计了一种机制，利用每个节点的算力，即“算力”来竞争记账权。简单来说，POW就是工作方确认已经完成了一定工作量的证明。比如我去面试的时候，招聘网站上写的是这个职位需要本科以上学历。那如何证明自己是本科毕业呢？给面试官看本科毕业证就可以了，就这么简单。但是这个毕业证怎么办呢？我需要上4年大学，在那之前，我要上高中、初中、小学。上了大学，不能天天开心，还要上课，要考试，不能挂科。这是一个艰难的过程。对于面试官来说，文凭就足以证明我上过大学，我不傻。因此，POW方法的主要特点是计算的不对称性。工作方需要做一些困难的工作才能得到结果，但验证者可以很容易地通过结果检查工作方是否做了相应的工作。Thespecificmethodistoperformahashoperationonthethreefieldsoftheparentblockhash,Merkletreerootandnoncevalueintheheaderofablockchain.Iftheresultislessthanthetargetvalue,thecalculationissuccessful,andifitisgreaterthanthetargetvalue,thenchangenoncevalue,repeattheoperationuntiltheresultislessthanthetargetvalue.Howtounderstandtheworkingsideandverificationsideofpow?Anotherchestnut.工作方：假设输入值是blockchain1，对它进行哈希运算，寻找结果前3位为0的哈希值，那么计算过程是：blockchain1->ef7797e13d3a75526946a3bcf00daec9fc9c9c4d51ddc7cc5df888f74dd434d1blockchain2->db0b9c1cb5e9c680dfff7482f1a8efad0e786f41b6b89a758fb26d9e223e0a10......blockchain515->0063e58fb6e3789fcb5eb64d05d7a9b909c5e9e1b60b18cb566a3326c1fd54c......blockchain2688->0005f2ee930eafef21d06545c0058ddfcf2ac9dfa542b745021f51ceb9e9f43cItcanbeseenthatthehashvaluewhosefirstthreedigitsare0canbefoundafter2688operations.Asthenumberof0sincreases,thecomputationaldifficultyincreasesexponentially.Verifier:Theverifiergetsthevalueblockchain2688fromtheworkingparty,andonlyneedsonecalculationtoknowwhethertheworkoftheworkingpartyhasbeencompleted.Forpow,ifyouwanttofindtherandomnonceafteraspecificstring,satisfyingtheSHA256valuewhosefirstnbitsareall0,youneedtoperformmultiplehashvalueoperations.Generallyspeaking,duetothepseudo-randomnessofthehashvalue,tofindthehashvaluewith3leading0s,itisexpectedtotryabout2tothe12thpower.Thenumberofcalculationsofthismathematicalexpectationistheso-called"workload"..Theentireproof-of-workactivityiswhatweoftencall"mining".Intheaboveexample,thereareseveralkeypointsintheactualBitcoinsystem,suchashowthenoncevalueischanged,howthenumberofzerosinthetargetvalueisdetermined,etc.YoucanrefertothearticleonBitcoinmining.AnynodeintheBitcoinnetwork,ifitwantstogenerateanewblockandwriteitintotheblockchain,mustsolvethePOWproblemissuedbytheBitcoinnetwork.本题包含三个关键要素：工作量证明函数区块难度值/目标值比特币系统中使用的工作量证明函数是SHA256，SHA是SecureHashAlgorithm的缩写，是密码哈希的一族函数，SHA256就是其中之一，它输出一个256位的哈希算法。比特币区块由区块头和区块中包含的交易列表组成。区块包含一个指向前一个区块的哈希指针，这样记录不同交易的各个区块被关联起来形成区块链。难度值是比特币系统中节点出块时的重要参考指标。它决定了一个节点需要进行多少次哈希运算才能生成一个哈希块。难度值会随着全网算力的变化进行调整，使出块速率保持在10分钟。因此，POW成功与否的决定性因素是算力的大小。如果你的算力是n，全网的算力是m，那么你在一个工作量证明，也就是一次挖矿活动中能够成功的概率是n/m，经过m/n次挖矿能够成功一次.比如我笔记本电脑的算法大概是1GH/s，现在全网算力是21EH/s，那我要进行200亿次工作量证明，每次10分钟左右，我肯定不会有生之年能挖出一个。POS：ProofofStake，权益证明现在我们知道了如何挖比特币，也就是需要购买挖矿设备，支付电费，从而获得新的币作为挖矿奖励。这基本上是一个资源密集型过程。并且有两个明显的缺点。一方面，pow的前提是节点和算力分布均匀，因为中本聪最初的设计是通过CPU挖矿，这样节点数和算力可以大致匹配，但是有了GPU、FPGA和矿机、节点数量和算力逐渐失配。另一方面，pow太浪费了。比特币网络每秒可以完成数百万亿次SHA256计算。这些计算似乎没有更多的实用价值，只是恶意攻击者无法轻易击败比特币网络。当然，这种浪费对于它带来的好处来说可能是一个很小的代价。但浪费总是不好的。有什么办法可以去掉挖矿设备和能耗的联系吗？毕竟这个过程只是选择一个节点记账。还有其他方法可以实现吗？因此，人们提出了一些工作量证明的替代方案，其中一种称为POS。股权证明由量子力学在2011年比特币论坛演讲中提出，后由PPC（Piancoin）和NXT（FutureCoin）以不同的思路实施。POW是根据算力随机的，POS是根据财产随机的。这就是这两种共识机制的本质。但是另外一个问题是，POW是比特币之前就存在的东西，而因为比特币的成功，POW基本上就是指比特币的POW。但恰恰相反，POS是一个新生事物，目前还没有成熟的POS应用。因此，当提到POS时，它不是指某种算法，而是指一个类别。而且，目前每种算法都有自己的优点和缺点。而且，到目前为止，还没有一种算法的可靠性通过实践的检验。因此，要比较POW和POS的优劣，我只能以POS的范畴为例。我们现在常说的POS，其实就是说PPCoin的POS，也就是最早的POS。那东西有根本的缺陷。例如币龄攻击（save-upattack）只适用于PPC，不适用于PPC。POS问题。当QuantumMechanic提出POS的概念时，他说了以下内容：我想知道随着比特币的分布越来越广泛，是否会从基于工作量证明的系统过渡到权益证明系统。我所说的股权证明的意思是，您对已接受的交易历史的“投票”不是由您带给网络的计算资源份额加权，而是由您可以证明自己拥有的比特币数量加权，使用您的私人键。他也就是说，节点记账权的获得与节点持币量，即权益相关。两者成反比关系，持有的币越多，越容易获得记账权。这种决定谁来记账的方式去掉了POW中需要大量计算的过程，但仍然需要进行哈希运算才能获得记账权。在POW中，用户可以拿出1000美元购买一台矿机，加入网络挖矿，从而获得奖励。在POS中，用户将拿出1000美元购买等值的代币，并将这些代币作为押金放入POS机制中，这样就有机会产生新的区块并获得奖励。简单来说，这个系统中会有一个代币持有者的集合。他们将一定的代币放入pos机制中，因此成为验证者，有权验证交易和生成区块。那么pos算法会在这个集合中随机选择一个节点，并赋予他生成下一个区块的权利。如果该节点在一定时间内没有出块，则选择第二个节点来代替它。在这个过程中，被选中的概率与他们投入的代币数量有关。例如，如果一个节点投资10,000个代币，则被选中的概率是投资1,000个代币的节点的10倍。Peercoin(PPC)PPC是第一个采用权益证明算法的数字资产。它在量子力学提出的权益证明思想的基础上引入了币龄的概念。硬币年龄是硬币数量和硬币拥有天数的乘积。简单来说，它是一个根据你持有货币的数量和时间给你利息的系统。PPCPOS模式下，每种币种每天产生1个币龄。比如你持有100个币，总共持有30天，那么此时你的币龄就是3000。这时候如果你找到一个POS块，你的币龄就会被清零，每清空365个币龄，你就会从该区块中获得0.05个币的利息（假设利息可以理解为5%年利率，PPCoin是1%的年利率），那么这样的话，利息=3000*5%/365=0.41个币，这个就很有意思了，持币有利息。PPC其实是权益证明和工作量证明的结合，因为它也需要挖矿。Peercoin矿工为了挖出一个区块，也需要像比特币矿工一样进行一次SHA256解谜操作，但是这个解谜操作的难度会根据他们要消耗的币量多少来调整。当消耗了一些币龄后，找到有效区块变得非常容易。这个计算难题的作用是保证当两个矿工尝试消耗相同币龄的时候，这个过程仍然是随机的。对于POS，除了PPC之外，还有其他不同的设计形式。在这些设计中，消耗一定数量的币，使得解谜变得极其简单，使得解谜不再是挖矿过程中的主要挑战。POW和POS最直接的区别就是POW靠的是算力，而POS靠的是持币数量。所以想要有记账权，POW就得买矿机，POS就得买代币。工作量证明消耗资源多，监督性差，共识机制强，需要全网算力参与，效率低下。优点也很明显，完全去中心化，节点自由进出。权益证明在一定程度上缩短了共识时间，但仍然需要挖矿，但不需要消耗大量能源。两种方案都没有从根本上解决用户降本提效的痛点。这只是一个优化方案，所以这两种方式逻辑上的项目必然会被替换。比如更优化的解决方案，或者彻底解决痛点的新机制出现。DPOS：DelegatedProofofStake，虽然POW和POS都可以解决记账一致性的共识问题，但是POW过于依赖算力，一是资源浪费，二是一些矿池巨大的算力变成了一个中心。但POS是根据股权余额来选择的，这会导致首富的账户拥有更大的权力，并可能控制记账权。因此，有人提出了DPOS算法。从本质上讲，DPOS是POS的一种改进，就像PPC是POS的一种改进，只不过PPC是一种特定的数字资产，而DPOS是一种思想。比特股（BitShare）比特股是一种采用DPOS机制的数字资产。它提出了见证人（即代理人或代表）的概念，期望通过引入技术民主层来减少中心化的负面影响。与董事会投票类似，持币者投出一定数量的节点进行代理验证和记账。比特股DPOS的工作原理是：每个持有比特股的节点都相当于一个股东，有投票权代表，每个股东将自己的投票权授予一个代表。获得最多选票的前N??个（N通常为101个）代表将生成区块。Tobeelectedasaproxy,atleasthalfoftheshareholdersvoted.每个维护周期（1天）更新代理的候选列表。代理人随机排列，每个代理人有2秒的时间依次出块。如果在规定的时间内不能生成块，则由下一个时间片的代理完成。DPOS充分利用股东的投票权，以公平公正的方式达成共识。他们选出的N个代理人可以看作是N个矿池，这N个矿池的权利是完全平等的。股东们可以随时投票更换这些代理人，只要他们提供的算力不稳定，电脑宕机，或者他们企图作恶等等。DPOS的好处是可以大大减少代理人的数量。参与验证和记账节点，可以实现秒级共识验证，但缺点是整个共识机制仍然依赖代币，很多商业应用不需要代币。除了POW、POS、DPOS这三大主流共识机制外，区块链的实际应用还衍生出了很多变种机制。这些机制各有优缺点。例如，POW在安全性和公平性方面具有优势，凭借先发优势形成了成熟的挖矿产业链，但其能耗问题备受诟病。POS、DPOS等新兴机制更环保高效，但在安全性和公平性上不如POW。
