科普：比较区块链项目中常用的共识算法

共识算法解决的是对某个提案（Proposal），大家达成一致意见的过程。

根据共识算法采取的策略，可以被分为两大类，即概率一致性算法和绝对一致性算法。

回顾CAP 原理，两类算法的区别在于对可用性和一致性之间的平衡：

概率一致性算法保证了系统的可用性而牺牲了系统的一致性，绝对一致性算法则与之相反，保证了系统的一致性而牺牲了系统的可用性。

传统分布式数据库主要使用Paxos和Raft算法解决分布式一致性问题，它们假定系统中每个节点都是忠诚、不作恶的，但报文可能发生丢失和延时等问题。

当分布式数据库的所有节点由单一机构统一维护时，此假定成立。在去中心化的区块链网络中，节点由互不了解、互不信任的多方参与者共同提供和维护，受各种利益驱动，网络中的参与者存在欺骗、作恶的可能，因此Paxos和Raft算法不能直接用于区块链的共识。

目前被区块链项目广泛采用的算法有工作量证明(PoW)、权益证明(PoS)、股份授权证明(DPoS)、实用拜占庭容错(PBFT)等， 另外一些项目则采用2种算法的混合算法，如PoW+PoS、DPoS+PBFT等， 此外还有燃烧证明（PoB，Proof of Burn）、沉淀证明（PoD，Proof of Deposit）、能力证明（PoC，Proof of Capacity）、消逝时间证明（PoET，Proof of Elapsed Time）等尚不成熟的算法。

PoW共识算法最初在比特币系统中提出和应用。

比特币系统在挖矿的过程中每10分钟生成一个区块。为了保证比特币系统能稳定地发展并不断产生区块，比特币的协议中人为地设置了这个10分钟规律，这使得系统中的所有节点可以利用这10分钟的时间，来完成接收，打包，见证的工作，同时将产生的交易在整个网络里进行广播。

比特币将区块间隔设计为10分钟，其实是在更快速的交易确认和更低的分叉概率间作出的妥协。尽管如此，分叉也不可避免，例如当有两名矿工A和B在几乎在相同的时间内，各自都算得了工作量证明解，便立即传播自己的区块到网络中，这样导致网络中一部分节点跟随A的区块，另一部分节点会跟随B的区块，两部分网络数据产生了不一致，即分叉。

比特币的策略是，在产生分叉后，两个分叉的网络各自继续挖矿，由于算力不一样，一段时间后，两个分叉的链的长度就会不一致，当网络上的节点收到两个分叉广播过来的区块后，就选择包含最多区块的那个链(最长链)为主链，这样，较短的分叉上的工作就会停止，这样每个人就会都在同一个顺序的这样上工作了。尽管在一段时间内会出现不一致，但保证最终能达成一致。

同时比特币由于分叉问题的存在，为防止出现双重支付问题，规定每个交易需要至少有5个验证过的区块在其后面得到验证才能算作确认，也就是说比特币的共识机制认为等待6个确认的情况下，分叉切换的概率就足够低了(例如按一个节点1%的算力来计算，6个区块后被长度被赶超的概率是100的6次方分之1)。

以太坊是另一个这类协议的典型，其同步假设的出块时间仅为15秒。以太坊的出块速度较比特币的10分钟大幅缩短，这使得以太坊系统在产出速度上有更高的效率，交易在全网广播所费的时间更短，但也正因为如此，结果形成了许多孤立区块。

1）算力竞争的设计导致了集中化的矿池：尽管PoW的目的是为了保证系统可以去中心化的运行，然而系统运行到现在，却事实上形成中心化程度很高的五大矿池。五大矿池垄断了世界上90%以上的算力，这可能导致大矿池破坏整个网络的行为。

2）算力竞争的设计导致了大量的能源消耗：另外，PoW系统需要产生大量的能源消耗：比特币挖矿比159个国家消耗的能源还多；目前77.7%的全球比特币网络算力仍在中国境内；受益于内蒙古和四川两地充沛的电力资源，中国拥有世界上最多的比特币矿场；到2019年7月，比特币网络将需要比美国目前的用电量更多的电力；到2020年2月，它将使用和今天全世界一样多的电力。

3）业务处理性能低下：尽管投入了大量的能源支持系统的运行，但这些能源消耗绝大部份是用于工作量证明中的hash运算，处理交易业务的性能则非常低，例如比特币每秒只能进行大约7笔交易；以太坊每秒10-20笔。

最初的一版PoS由Peercoin设计实现。用户要产出block必须满足以下条件：

hash(stake_modifier, current_time, UTXO) < coin(UTXO) * age(UTXO) * difficulty.

具体解释如下：

1）用户在每一秒时间（current_time），遍历自己所有的UTXO，代入上述公式中，看是否能满足不等式条件；如果满足，就把相应的UTXO记录在block中，并发布block；

2）stake_modifier是对前一个block中部分字段hash后的值，加入这一项是为了防止用户提前预知自己何时有权挖矿；

3）difficulty会根据近期的block产出时间动态调整，保证block产出时间间隔稳定；

4）由于每秒只需要完成和自己UTXO数量相等的hash计算，所以需要的算力较低；

5）从不等式可以看出，持有的UTXO越多、UTXO中token数额越大（coin(UTXO)）、UTXO持有时间越长（age(UTXO)，或称之为币龄），不等式越容易成立，越容易进行挖矿。

1）因为构造新的block没有算力成本，所以当区块链出现fork的时候，用户有可能会倾向于同时在多个branch一起挖矿来获得潜在更高的收益，这样制造了大量的分支，破坏了一致性；

2）出现了攒币龄的现象，即关闭节点，直到age(UTXO)足够大的时候再启动节点挖矿，从而节省电力，这样引起了在线节点数太少系统脆弱的问题；

3）可以攒够足够的币龄后，保证自己有足够的UTXO能够连续生产block，从而发动double-spend攻击。

EOS前身石墨烯框架及bitshares（比特股）项目提出的DPOS方案，其步骤简述如下：

1）持有token的用户可以对候选的block producer进行投票；

2）得票最高的n个用户被选为代表，在下一个周期中负责产出block，目前n=21；

3）打乱代表的顺序后，各代表开始依次生产block。每个代表都有自己固定的时间区间，需要在自己的区间中完成block的生产发布。目前这个区间是3秒，即在正常情况下每3秒产出一个block；

4）每个代表在生产block的时候，需要找当时唯一的最长链进行生产，不能在其他分支上进行生产。

通过上述方法，保证了较短的block生产时间，且因为给每个生产者设置了固定的时间区间，则block的产出不会因为某个候选节点的延迟而延迟。

EOS最初使用的是DPoS算法，后来为了缩短出块时间，改成BPT-DPoS算法。

1）以EOS为代表的DPoS算法设计成由少数节点代替多数节点进行共识，其实是牺牲了区块链去中心化的特性，以此来换取共识效率的提升；

2）EOS的21个超级节点并不是21个不同实体，节点之间可能存在内在联系的共谋；

3）超级节点竞选争议。由于网络无法解决女巫攻击问题，1人1票的民主投票制会被1代币1票制度所取代，导致“富豪统治”的结果；而相对不富裕的、拥有投票权较少的投资者则会对投票这件事漠不关心；超级节点可以花钱买选民们的投票；超级节点之间被鼓励互相串通，这样他们就可以改变他们与选民分享奖励的比例；

4）DPoS允许不超过节点总数三分之一的恶意或故障节点可能创建少数分叉。在这种情况下，少数分叉每9秒只能产生一个块，而多数分叉每9秒可以产生两个块。这样，诚实的2/3多数将永远比少数（的链）更长。

Hyperledger Fabric推荐并实现的就是PBFT共识算法。

PBFT不仅具备强一致性的特性，而且提供了较高的共识效率，比较适合对一致性和性能要求较高的区块链项目，但由于PBFT需要两两节点需要进行通信，通信量是O(n^2)（通过优化可以减少通信量），在公有链这种全球性的大环境下，节点数量和网络环境不可控，无法达成这种巨大的通信量。

不过对于联盟链和私有链，节点数量并不是很多，采用PBFT效率更高结果也更好，因此PBFT在联盟链和私有链的区块链项目中使用较为广泛。这也是Fabric项目采用PBFT算法的原因。

1）通信量是O(n^2)，不适用于节点数量和网络环境不可控的公有链项目；

2）PBFT是强一致性算法，在可用性上作了让步，当有1/3或以上记账人停止工作后，系统将无法提供服务。