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報告摘要

技術是存在邊界的，這決定了需要引入一些其他的激勵和約束機制來使得整個系統正常工作。同時在共識機制設計上，常常需要犧牲系統的某些性能來保證一致性和正確性。

公有鏈里的共識機制主要側重于使用去中心化和更加具有激勵性的設計，目前的許多新型區塊鏈體系，支持可插拔的共識機制模塊，可以根據應用場景和需求切換使用不同的共識機制。

聯盟鏈更注重隱私、安全和監管，因此會加入更多的管控元素，更喜歡采用類似于傳統的拜占庭家族（PBFT，DPOS）等共識機制。

達成共識是需要成本的，最終需要衡量投入產出比，有時設計得再復雜的共識機制也許并不如一個好的商業模式來的有效。

引言

在分布式系統中，多個主機通過異步通信的方式形成網絡集群，主機之間進行狀態的復制從而達成一致的狀態共識。但是異步系統中的主機可能性能下降、網絡擁塞，使得系統內傳播了錯誤的信息。因此在設計共識機制時，要默認系統中存在不可靠的節點。從算法的角度，這些機制的設計本質上是基于經濟利益的博弈，對于惡意破壞系統的參與者，好好記賬獲得的收益大于其破壞的收益，從而保證大部分人的合作。

一、技術的邊界

蘋果公司在設計一款新產品時，都會先了解當下技術的邊界在哪里，哪些技術已經可以完全使用了，哪些還要等幾年，對于需要等幾年的，它會在幾年后再考慮。當然，科學和技術有著很大的不同，科學研究可以給出理論上的極限邊界，而從工程設計的角度更多考慮的是如何在大概率情況會出現的大致邊界內，整體上做到最好，類似于一個優化問題，我們需要知道給定的約束條件，才能最終正確地求解。

就分布式系統中狀態共識問題而言，前人的科學研究已經給出了兩個重要的邊界：

Fischer-Lynch-Paterson在1985年的論文中證明了：在一個多進程的異步系統中，只要有一個進程不可靠，那么就不存在一個協議，此協議能保證有限時間內使所有進程達成一致。

CAP原理：分布式計算系統不可能同時確保一致性、可用性和分區容忍性，設計中往往需要弱化對某個特性的保證。

其中一致性是指系統中服務節點對于處理結果達成的一致；可用性是指在有限時間內，任何非失敗節點都能應答請求；分區容忍性是指網絡可能發生分區使得節點之間通信不保障。

科學家認為在分布式場景下達成完全一致性是不可能的，但是工程上的許多問題的解決，都在于如何進行合理地取舍，我們可以犧牲一部分代價來換取分布式場景的一致性。目前，基于區塊鏈設計的各種共識機制的不同主要來源于以下兩個方面的不同：

第一，算法假設的條件不同，例如Paxos和Raft等算法假設節點不會故意發送錯誤的消息，這當然是一個比較強的條件。在比特幣使用的PoW共識機制的前提條件是并不預先知道系統內有多少記賬的節點，而聯盟鏈里常使用的PBFT等協議則假設節點需要許可。

第二，可以看成是犧牲哪一部分代價來換取多少程度的一致性。例如根據CAP原理，弱化可用性，在系統故障時拒絕服務，Paxos、Raft等算法就是弱化了可用性來保證結果一致性。再如比特幣通過算力的比拼犧牲了一部分最終一致性（因為分叉的產生），但是保證了整個區塊鏈系統的合法性和魯棒性。

算法當然不是萬能的，它的邊界決定了必須要引入一些其他的激勵和約束機制來使得整個系統正常工作。：在基于權益證明的加密貨幣中，創建新的區塊并不會消耗大量CPU，如果它不誠實并不會失去什么，對于一個節點來說，利益最大化的選擇是在多條鏈上同時挖礦，這會造成網絡中的節點很難對使用哪條鏈達成共識，這種情況下需要通過算法外的辦法來解決，加入一些懲罰的協議等等。

二、公有鏈的常用共識機制

就目前而言，公有鏈里的共識機制主要側重于使用去中心化和更加具有激勵性的設計，目前的許多新型區塊鏈體系，支持可插拔的共識機制模塊，可以根據應用場景和需求切換使用不同的共識機制。

系統的記賬者都有唯一公認的歷史交易序列對于公有鏈來說至關重要，因為這是解決“雙重支付”問題的關鍵：為了避免雙重支付的出現，那么就應當獲悉這筆交易之前的所有交易，以確保這筆交易是第一次出現的。如何在雙方信息不對稱、不確定的環境下，使得交易可以順利進行，這就是“拜占庭將軍問題”。

比特幣的PoW工作量證明機制通過以下途徑來解決了拜占庭將軍問題：

維持周期循環，保證節點步調一致：調整難度來保證網絡一直需要花費10分鐘找到一個數學難題的解，并產生一個新區塊。在這10分鐘內，網絡上的參與者發送交易信息并完成交易，最后才會廣播區塊信息，這樣就杜絕了節點無限制、無規律地發送命令的狀態。

通過算力競賽，確保網絡單點廣播：比特幣通過時間戳和電子簽名，確保在某一個時間點只有一個（或幾個，屬于分叉行為）節點傳輸區塊信息，改變了節點之間互相傳送的混亂。

通過區塊鏈，使用一個共同賬本：基于P2P網絡的BT技術是成熟的，網絡中的節點，在每個循環周期內都是同步的，這讓每個節點做決策的時候就有了共同的基礎。

事實上，無論你采取什么樣的方式，只要保證時間統一、步調一致、單點廣播、一個鏈條就能解決加密貨幣這種分布式系統的拜占庭將軍問題。

PoS作為另一種共識機制，礦工掌握的加密貨幣數量占比等于其挖出一個PoS礦的概率。這會導致首富賬戶的權力更大，有可能支配記賬權，也會造成權益越來越中心化，但是PoS確實大大減少了挖礦的能源成本。長遠來看，可能會有更多的幣種會向PoS方向發展。

除了以上兩種比較常見的基本的主流共識機制，目前的公有鏈共識機制的創新點在于兩者之間的混合，從而可以保留去中心化特征的同時提高處理的效率。例如以Decred為代表的PoW/PoS混合共識：挖礦的過程和比特幣類似，也需要完成一定量的工作量證明，但是在達成共識的環節有所區別，不同于比特幣需要全網節點來驗證區塊，最終以最長的鏈為主鏈，混合機制引入PoS投票來決定剛挖出的區塊是否有效，大大提高了驗證的速度。除此以外還有以Hcash為代表的PoW/PoS混合共識 雙層鏈結構。將PoW難度分成兩級，分別發布在兩條鏈上，使得PoW礦工和PoS礦工都能參與系統共識并發揮作用。

三、聯盟鏈的常用共識機制

聯盟鏈更注重隱私、安全和監管，因此會加入更多的管控元素，更喜歡采用類似于傳統的拜占庭家族（PBFT，DPOS）等共識機制。聯盟鏈相對于公有鏈而言，弱化了對于去中心化的強調，同時由于節點準入制，可以理解為已經賦予了節點一定的信任。

股份授權證明（DPoS）機制里有股票權的人是通過選舉產生和更換的，而不是和PoS一樣通過幣多幣少這一個維度來產生的。它通過不同的策略，不定時地選中一小群節點，由這一小群節點做新區塊的創建、驗證，簽名和互相監督，大幅度的減少了區塊創建和確認所需要消耗的時間和算力成本。DPoS不需要太多的信任，所選的這些委托人不能改變交易的細節，如果節點存在試圖作惡、提供的算力不穩定、計算機宕機等行為，公開的社區可以快速將他投票驅逐。

如果說PoW和PoS都是以經濟模型為主解決共識問題，那么PBFT就是以算法模型來解決共識，它不存在代幣分發機制，能耗很低。過程可以簡述為大家先投票選出領導者，領導者記賬后其他人投票通過。在PBFT算法中，可以證明只要會出錯的拜占庭節點小于系統全部數量的1/3，那么整個系統就可以正常工作。目前的改進算法方向大致包括使用P2P網絡、動態調整節點的數量，減少協議使用的消息數量等。

聯盟鏈的共識機制算法的創新也包括了例如DPoS和PBFT的混合，將DPoS的授權機制應用于PBFT中實現動態授權，文獻已經證明這樣的算法在最佳出塊時間為20秒的時間間隔下，TPS可以達到10000-12000，時延控制在100-200ms之間。正是由于聯盟鏈保留了部分的“中心化”，從而得到了交易速度增快，交易成本大幅降低的回報。

四、共識的成本

很顯然，共識是需要成本的，公有鏈如PoW付出了大量的算力成本，大量的硬件花費了很長的時間和很多電力來進行SHA256運算，求解一個實際上沒有什么意義的難題，僅僅為了競爭記賬權；即使是在聯盟鏈上要達成共識，就像民主投票一樣，需要經過一輪又一輪的磋商，交換意見最后達成一致。如何降低民主的成本，如何用最少的磋商次數，最小的溝通成本達成共識是算法追求的目標，也是決定區塊鏈這臺機器是否跑得足夠快的重要因素。

而最重要的問題，我們應該思考的是從用戶的角度，是否真正提升了用戶的體驗。畢竟，僅僅因為信仰而使用區塊鏈上的各種服務的人只是少數，如果對于普通人而言，新的產品對他的生活品質、產品體驗并沒有太大的提高，那么究竟是否應該繼續投入也是值得深思的問題。對于企業而言，企業當然應該仔細思量自己的投入產出比，以決定是應該使用區塊鏈技術還是說存在成本更低的替代性方案。例如使用分布式數據庫來解決企業之間的信息不對稱性，對數據設置查看權限和加密等級來實現不可篡改，并配合一系列的管理辦法，加上大部分場景里可能龍頭企業并無太大的動機去實現數據篡改，并且有足夠的動力去維護數據庫，在這種情況下，設計得再復雜的共識機制也許并不如一個好的商業模式來的有效。