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前言

區(qū)塊鏈起源于比特幣，發(fā)展于以太坊。想對區(qū)塊鏈有系統(tǒng)性的認(rèn)知，最好先熟知比特幣和以太坊的知識。這是我從比特幣和以太坊寫起的原因。

而對區(qū)塊鏈項(xiàng)目來說，共識機(jī)制是其根本價(jià)值所在。共識是區(qū)塊鏈應(yīng)用落地的基礎(chǔ)，指的是參與者如何在此系統(tǒng)中進(jìn)行協(xié)作。所以，本文希望能對比特幣和以太坊的共識機(jī)制做總結(jié)，幫助大家更好地認(rèn)識區(qū)塊鏈的價(jià)值。

正文

初遇比特幣，很多人看到的是一個周身被貪婪、欺騙所圍繞，充滿暴戾與丑聞的事物。

而當(dāng)有人試著吹散泡沫，探尋本源時(shí)，他們會為比特幣所構(gòu)建的“共識”所折服。感覺像是走入一個全自動化工廠，每個處理事情的節(jié)點(diǎn)，都按照既定規(guī)則運(yùn)轉(zhuǎn)。

從廣義上講，共識是一種社會協(xié)作方式，可在不同領(lǐng)域應(yīng)用，提升效率，是比特幣區(qū)別于“郁金香”、“密西西比”等泡沫事件最本質(zhì)的不同。

另一方面，比特幣共識并不完美。由于中本聰?shù)脑馐莿?chuàng)造一種“錢”，所以在CAP原則（指的是在一個分布式系統(tǒng)中，一致性Consistency、可用性Availability、分區(qū)容錯性Partition tolerance，三者不可得兼）框架下，他選擇了一致性和分區(qū)容錯性，弱化了可用性，使比特幣共識在擴(kuò)展應(yīng)用時(shí)，遇到了難題。

CAP原則，文字內(nèi)容來源于百度百科

基于此，有人試著去研究不同的共識機(jī)制，彌補(bǔ)比特幣在應(yīng)用性上的不足。

以太坊社區(qū)是其中最著名的一群人，他們正嘗試把權(quán)益證明POS引入到以太坊中，并將此計(jì)劃命名為Casper（取自同名電影，中文譯為《鬼馬小精靈》）。

本文將圍繞比特幣工作量證明POW與以太坊權(quán)益證明計(jì)劃Casper展開敘述。

比特幣工作量證明POW

起初，中本聰想創(chuàng)造一種提前約定好發(fā)行機(jī)制，并且一旦發(fā)行，任何人都無法操控的貨幣。這樣就避免了有人因一己私利，通過控制貨幣發(fā)行量，變相盤剝民眾利益。

為了達(dá)成目的。首先，中本聰將比特幣總量設(shè)定在2100萬個，并利用動態(tài)函數(shù)，規(guī)定每10分鐘產(chǎn)出一定數(shù)量。這2100萬個幣，將于2140年全部流通于世。

其次，比特幣交易記錄不受任何數(shù)據(jù)中心控制，而是利用點(diǎn)對點(diǎn)技術(shù)（P2P），讓用戶之間直接轉(zhuǎn)賬，過程就像用微信互傳文件一樣。

為了維護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行，中本聰將新產(chǎn)出的比特幣與轉(zhuǎn)賬手續(xù)費(fèi)，獎勵給記賬參與者（礦工，又稱節(jié)點(diǎn)）。干活的人得到了獎勵，這樣便有人心甘情愿的為系統(tǒng)付出了。

為了不出差錯，中本聰需要采取一套運(yùn)行規(guī)則來使系統(tǒng)符合以下原則：

1. 結(jié)果一致。每個節(jié)點(diǎn)記錄的全網(wǎng)交易記錄是一致的。

2. 不可篡改。任何人無法篡改交易記錄。

3. 有效率。貨幣系統(tǒng)工作效率高。

4. 可持續(xù)。貨幣系統(tǒng)可一直運(yùn)行下去。

而用以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的規(guī)則，便是共識機(jī)制。

比特幣共識機(jī)制是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的呢？

當(dāng)用戶A給用戶B轉(zhuǎn)賬時(shí)，節(jié)點(diǎn)（包括AB自己）的比特幣客戶端，會收到這一信息。

同時(shí)，所有參與者會在客戶端內(nèi)，利用計(jì)算設(shè)備（礦機(jī)）每隔10分鐘計(jì)算一道“哈希難題”。這道難題出現(xiàn)時(shí)間及難度，受動態(tài)函數(shù)控制，以保證10分鐘間隔。

這個過程被稱作工作量證明（POW）。

率先計(jì)算出正確結(jié)果的節(jié)點(diǎn)，將根據(jù)代碼審查交易信息是否屬實(shí)，將包括AB用戶在內(nèi)、一定時(shí)間段內(nèi)的轉(zhuǎn)賬信息，打包在一起確認(rèn)（打包成“塊”），并將當(dāng)前的“塊”，連接到此前的“塊”上，生成“區(qū)塊鏈”，并同步（廣播）至全網(wǎng)所有比特幣節(jié)點(diǎn)。

此時(shí)，A給B的轉(zhuǎn)賬交易會判定為有效。

記賬節(jié)點(diǎn)獲得新產(chǎn)生的比特幣及轉(zhuǎn)賬手續(xù)費(fèi)，作為獎勵，并開始新一輪的哈希難題計(jì)算。

此外，記賬結(jié)果以“最長鏈”為準(zhǔn)。若有2個參與者同時(shí)完成工作量證明，并打包區(qū)塊，則他倆會開始“競賽”，誰最先產(chǎn)生新的區(qū)塊，就以誰為準(zhǔn)。

工作量證明機(jī)制（POW）使每次參與記賬的節(jié)點(diǎn)是唯一的，計(jì)算結(jié)果會被廣播至全網(wǎng)且以最長鏈為準(zhǔn)，這保證了全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)交易記錄是一致的。

此外，在記賬時(shí)，節(jié)點(diǎn)同時(shí)會檢查與該交易有關(guān)的、所有地址的“未被花費(fèi)的余額”（UTXO）。比如，檢查A是否有未被花費(fèi)的余額，則需檢查A是否收到過更早的轉(zhuǎn)賬，以此類推，直到“創(chuàng)世交易”。

理論上，只要“創(chuàng)世交易”不變，當(dāng)前每個人未被花費(fèi)余額就是確定的。

創(chuàng)世交易不變，加上交易記錄分布式存儲，使得任何人無法篡改交易記錄。

比特幣生態(tài)

能源消耗與“下議院悲劇”

事實(shí)上，比特幣為了保證系統(tǒng)一致性，犧牲了可用性，并引出一系列問題。

首先，比特幣不是有效率的。

一方面，受到大小的限制，每個“塊”包含4000條交易數(shù)據(jù)，按10分鐘的生成時(shí)間換算，相當(dāng)于每秒處理6.67條交易，以至比特幣的全網(wǎng)未確認(rèn)交易數(shù)一度達(dá)12134筆，這對貨幣來說是不合格的。

另一方面，工作量證明機(jī)制消耗大量無謂資源。每次打包成塊時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算哈希難題，而最終有資格記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)卻是唯一的。其余節(jié)點(diǎn)所做工作皆是浪費(fèi)。

此外，為了有更大概率獲得記賬權(quán)，人們發(fā)明了專門的礦機(jī)來提高算力。而礦機(jī)在計(jì)算哈希難題過程中，消耗大量電力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球比特幣礦場年耗電量，超過捷克等全球159個國家。

其次，比特幣或許不是可持續(xù)的，獨(dú)特的發(fā)行機(jī)制或許會讓比特幣陷入“下議院悲劇”。

由于中本聰規(guī)定，每產(chǎn)出21萬個區(qū)塊，新比特幣獎勵減半。到2140年，比特幣全部被挖出時(shí)，礦工獎勵僅剩用戶轉(zhuǎn)賬手續(xù)費(fèi)。

同時(shí)，別忘了“塊”的大小是有限制的，所以手續(xù)費(fèi)數(shù)量是一定的。

于是，在未來某一時(shí)刻，當(dāng)?shù)V工記賬獲得的比特幣獎勵，與礦機(jī)硬件、電力地租等成本持平時(shí)，大量礦工將退出比特幣系統(tǒng)，算力集中在少數(shù)人手里。

他們可以憑借已掌握的算力，在之前的區(qū)塊上，延伸出新的“最長鏈”，從而將另一條鏈作廢，從而將自己已經(jīng)支付的幣取回。這會對比特幣系統(tǒng)造成毀滅性打擊。

算力攻擊

事實(shí)上，比特幣社區(qū)早已認(rèn)識到問題的存在，近年來他們討論過擴(kuò)大“塊”的容量，或者引入隔離見證、閃電網(wǎng)絡(luò)等方案，提高每秒可處理的交易數(shù)（TPS）。他們甚至還討論過是否擴(kuò)大發(fā)行總量。但始終沒有達(dá)成一致。

好消息是，盡管比特幣支付還不像法幣一樣方便，但美國、日本、德國、加拿大、白俄羅斯、瑞士等國家已接受比特幣支付，并在一定法律范圍內(nèi)，承認(rèn)其合法地位，部分國家還設(shè)置了比特幣ATM機(jī)。

本質(zhì)上，作為一種貨幣，比特幣正向著初衷邁進(jìn)。相比之下，以太坊需要解決的問題，就要復(fù)雜很多了。

區(qū)塊鏈能干嘛？

比特幣誕生后，人們發(fā)現(xiàn)共識機(jī)制可以提供全新協(xié)作方式。

比如，游戲開發(fā)者可以將游戲內(nèi)交易的部分，接入?yún)^(qū)塊鏈軟件開發(fā)工具包（SDK），這部分的數(shù)據(jù)將跟隨區(qū)塊鏈本身交易數(shù)據(jù)，一起被礦工打包確認(rèn)。

這種做法對游戲開發(fā)者來說，可以節(jié)省相應(yīng)儲存、計(jì)算成本。而對于玩家們來說，他們的交易記錄無法被任何人篡改，從而不會出錯。

再比如，A公司向B公司購買價(jià)值10萬元商品，雙方簽了合同，由C公司做證明人擔(dān)保，約定1個月后付款。合同信息由礦工打包進(jìn)區(qū)塊鏈，無法被篡改。

B公司交付商品，C公司確認(rèn)合格，雙方在支付賬戶內(nèi)同時(shí)簽名，使區(qū)塊鏈內(nèi)的合同生效。1個月后，A公司賬戶會自動向B公司付款，無需人工干預(yù)。

事實(shí)上，區(qū)塊鏈項(xiàng)目“超級賬本”（hyperledger）正在積極實(shí)踐第二個例子所說的事情。目前，參與這一項(xiàng)目的公司，已經(jīng)達(dá)200余家，包括荷蘭銀行、巴黎銀行、華為、三星、IBM等企業(yè)。

可以看出，當(dāng)?shù)V工打包確認(rèn)的不僅僅是交易記錄，而是更廣闊的數(shù)據(jù)時(shí)，區(qū)塊鏈?zhǔn)褂梅秶矔S之?dāng)U大，其功能跟云計(jì)算、支付寶等常見應(yīng)用類似。

而由于區(qū)塊鏈具備不可隨意篡改、自動執(zhí)行合約的特性，使得溝通、信任、執(zhí)行等成本大幅降低，在部分場景中受到企業(yè)青睞。

但現(xiàn)階段，區(qū)塊鏈技術(shù)想做到大規(guī)模應(yīng)用，還得解決諸多問題，其中效率和可持續(xù)，尤為關(guān)鍵。

所以，相比于比特幣，以太坊更關(guān)注可用性。

為此，他們正嘗試將共識機(jī)制由工作量證明（Proof of Work，簡寫為POW）轉(zhuǎn)換成權(quán)益證明（Proof Of Stake，簡寫為POS）。

并基于權(quán)益證明，開發(fā)以太坊獨(dú)有的Casper共識機(jī)制，提高交易處理速度等，著重解決效率和可持續(xù)問題。

該計(jì)劃將分為兩個階段實(shí)現(xiàn)，第一個階段名為Casper FFG，第二個階段名為Casper CBC。 

以太坊生態(tài)

權(quán)益證明機(jī)制POS

本質(zhì)上，以太坊也是一種“錢”，其產(chǎn)生過程同樣來自于礦工記賬獎勵。

只是，以太坊礦工除了記錄交易信息，還記錄游戲、金融領(lǐng)域的一些數(shù)據(jù)，這一載體被稱為“智能合約”。

所以，在解決效率和可持續(xù)問題之前，以太坊也需要做到結(jié)果一致、不可篡改。

那么，股權(quán)證明共識機(jī)制是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的呢？

當(dāng)用戶間發(fā)生轉(zhuǎn)賬，以太坊節(jié)點(diǎn)客戶端，會收到信息。

 同時(shí)，所有參與者（節(jié)點(diǎn)，或稱驗(yàn)證人）客戶端會根據(jù)代碼，審核信息是否屬實(shí)，并自動打包成“塊”。然后客戶端會對這些“塊”進(jìn)行投票。

得票最高的“塊”勝出，組成“鏈”，并同步至全網(wǎng)以太坊節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，轉(zhuǎn)賬信息被判定為有效。

勝出“塊”的支持者們將獲得以太坊幣獎勵，并開始新一輪投票。

其中，投票權(quán)重由客戶端里以太坊幣的多少決定。客戶端持有的以太坊幣越多，投票權(quán)重越高，獲得獎勵概率越大。

這個過程被稱作權(quán)益證明（POS）。

在權(quán)益證明共識中，得票最高的“塊”通常是唯一的，且結(jié)果會被廣播是全網(wǎng)，這保證了全網(wǎng)交易記錄的一致性。

更重要的是，在權(quán)益證明機(jī)制產(chǎn)生區(qū)塊鏈的過程中，不需要使用機(jī)器計(jì)算“哈希難題”，使得其每秒可處理的交易次數(shù)大幅提升，并且節(jié)省了機(jī)器所需的電費(fèi)、地租等成本。

以太坊權(quán)益證明Casper

今年5月，F(xiàn)FG階段第一個代碼版本已正式發(fā)布，旨在將以太坊工作量證明轉(zhuǎn)變?yōu)闄?quán)益證明。

在Casper FFG階段，以太坊每50個區(qū)塊中，會有1個由權(quán)益證明產(chǎn)生。

在未來Casper CBC中，以太坊共識機(jī)制將全面轉(zhuǎn)為權(quán)益證明，并在此基礎(chǔ)上，做兩方面升級：加入保證金制度，上線分片技術(shù)。

保證金制度是為增強(qiáng)安全性而設(shè)立的。Casper規(guī)定，節(jié)點(diǎn)需提交以太坊幣作為保證金，一旦其想作弊，比如在為全部“塊”進(jìn)行投票，或者試圖對網(wǎng)絡(luò)發(fā)起攻擊，則他們的保證金將全部被沒收。

而分片技術(shù)，是為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)處理交易的速度。分片技術(shù)指的是，先將節(jié)點(diǎn)分組，再將完整的交易數(shù)據(jù)分片，隨機(jī)放到不同組內(nèi)驗(yàn)證，最終結(jié)果打包成“塊”，組成“鏈”。

分片技術(shù)就像寫書一樣。首先，系統(tǒng)將“寫作主題”，也就是一定時(shí)間內(nèi)的交易信息，梳理出“章節(jié)目錄”；然后，隨機(jī)將不同章節(jié)的寫作任務(wù)，分配給不同的小組。大家分頭寫完后，再組合成“書”。

理論上，參與驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)是無限多的，分組也會無限多，所以，以太坊處理交易速度是無限快的。

從目前的進(jìn)度來看，以太坊有望在明年年底前，完成Casper CBC上線。

同時(shí)，隨著子母鏈（Plasma）、賬戶分離概念（account abstraction）以及無狀態(tài)客戶端(statelessclients)等功能上線，以太坊網(wǎng)路建設(shè)將全部完成。

 網(wǎng)傳V神個人以太坊地址

V神的“驕傲”

Casper共識對于以太坊意味著什么？從其創(chuàng)始人V神（Vitalik Buterin，以太坊創(chuàng)始人）的言論中，可以看出端倪。

在他個人推特中，置頂內(nèi)容是，提醒大家防范假冒以太坊的騙子。

此外，他還說過數(shù)字貨幣隨時(shí)可能歸零，以及勸賺錢的項(xiàng)目方不要炫富。

在接受“王峰十問”采訪時(shí)，V神表示，以太坊已經(jīng)不再那么依賴比特幣了，并且他還認(rèn)為交易所都應(yīng)該下地獄。

將這些言論概括起來，V神表達(dá)的意思是，希望以太坊可以獨(dú)立活下去，不受比特幣和幣圈其他因素影響。Casper是這一切的開始。

權(quán)益證明不僅使以太坊從根本的共識機(jī)制上，區(qū)別于比特幣，更重要的是，它是有效率的，這使得以太坊幣這一數(shù)字資產(chǎn)，有了錨定實(shí)體產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的可能性，讓其嵌入實(shí)體經(jīng)濟(jì)運(yùn)行當(dāng)中。

當(dāng)以太坊幣有了實(shí)體資產(chǎn)負(fù)債做發(fā)行背書，其與法定貨幣已經(jīng)沒有本質(zhì)差別了。

而權(quán)益證明使得節(jié)點(diǎn)想?yún)⑴c記賬前，需買入大量以太坊幣，并鎖定。客觀上，鎖倉會使以太坊幣價(jià)格達(dá)到新高度。

若以太坊幣價(jià)借此超越比特幣，或?qū)氐讛[脫比特幣“陰影”，其價(jià)格不受比特幣漲跌影響。

目前，Casper CBC的細(xì)節(jié)仍在討論中，整個網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)將于2019年部署完畢。經(jīng)歷過The DAO黑客事件的V神，明顯比之前謹(jǐn)慎了很多。

他一手締造了幣圈的繁榮，這是他的“驕傲”，他不想讓自己的“驕傲”輕易死去。