区块链一致性协议

『壹』 区块链的核心技术：共识机制&智能合约

不论你是否接受，未来终将改变。

区块链技术给数字经济时代带来了巨变的曙光。

这种巨变在互联网近50年的历史上曾发生过两次。第一次巨变是全球性的联

网……第二次巨变是全球性的应用……第三次巨变正在蕴酿。

————摘自《腾讯区块链方案白皮书》 

当第一次读到这段时，完全不敢想象这是一家世界级企业对一项新技术的评价，

瞬间引起了我的兴趣。“巨变”是什么含义？就是说完全有可能颠覆我们现有的

经济结构和认知，彻底改变我们的生活方式。

一种从2009年才诞生的比特币技术中 抽象而来的block chain（区块链）技术，

居然获得了这么高的评价，这难道不是很神奇的一件事么？不管这件事会不会发

生，已经令人非常激动了，我们正在迎接一项变革并且可能参与其中，不是任何

时代的人都有这种机会，何其幸运！

不论你是否接受，未来终将改变。全球众多经济学家、企业家、国家政要都在推

崇区块链，声称区块链技术将重塑商业、货币和世界，将颠覆互联网、银行、证

券、保险、物流、电力、制造、会计税收、法律服务、文化创业、医药卫生等众

多行业。

虽然说到“区块链”，大家都会提到“去中心化”，也举了很多形象的例子。但

是我是一个较真的人，希望能够找到大家做出这种判断，背后的逻辑到底是什

么？就需要搞懂一切推断背后的本质，就需要了解区块链的核心技术逻辑。

阅读了一些书籍和资料之后，抛开“比特币”不说，要了解区块链，有两个核心

名词：共识机制、智能合约。

共识机制是区块链技术的核心，要搞清楚”共识机制“，就不得不提著名的“拜

占庭将军问题”，拜占庭将军问题由莱斯利·兰伯特提出的点对点通信中的基本

问题，主要是用于分析在分布式节点传输信息时如何保持数据的一致，即共识这

个问题。

拜占庭将军问题

一组拜占庭将军分别各率领一支军队共同围困一座城市。为了简化问题，将各支

军队的行动策略限定为进攻或撤离两种。

因为部分军队进攻部分军队撤离可能会造成灾难性后果，因此各位将军必须通过

投票来达成一致策略，即所有军队一起进攻或所有军队一起撤离。因为各位将军

分处城市不同方向，他们只能通过信使互相联系。

在投票过程中每位将军都将自己投票给进攻还是撤退的信息通过信使分别通知其

他所有将军，这样一来每位将军根据自己的投票和其他所有将军送来的信息就可

以知道共同的投票结果而决定行动策略。

系统的问题在于，将军中可能出现叛徒，他们不仅可能向较为糟糕的策略投票，

还可能选择性地发送投票信息。这样各支军队的一致协同就遭到了破坏。由于将

军之间需要通过信使通讯，叛变将军可能通过伪造信件来以其他将军的身份发送

假投票。而即使在保证所有将军忠诚的情况下，也不能排除信使被敌人截杀，甚

至被敌人间谍替换等情况。因此很难通过保证人员可靠性及通讯可靠性来解决问

题。

假始那些忠诚的将军仍然能通过多数决来决定他们的战略，便称达到了拜占庭容

错。

拜占庭将军问题被认为是容错性问题中最难的问题类型之一。在一个有n个节点的

系统中，每一个节点都有一个输入的值，其中一些节点具有故障，甚至是恶意

的。

在分布式计算中，不同的计算机通过通讯交换信息达成共识而按照同一套协作策

略行动。但有时候，系统中的成员计算机可能出错而发送错误的信息，用于传递

信息的通讯网络也可能导致信息损坏，使得网络中不同的成员关于全体协作的策

略得出不同结论，从而破坏系统一致性。

但是中本聪在设计比特币系统时应用的“工作量证明链”（PoW）模型很好的解决

了共识问题，至于什么是“PoW”，感兴趣的可以研究下。

智能合约是一套以数字形式定义的承诺（promises） ，包括合约参与方可以在

上面执行这些承诺的协议。一个合约就是存在区块链里的程序。合约的参与双方

将达成的协议提前安装到区块链系统中。在双方的约定完成后，开始执行合约，

不能修改。至于合约执行所需要的“燃料”，也就是手续费，也需要提前支付。

智能合约可以解决日常生活中常见的违约问题，如果应用到各行业中，可以避免

违约的信用问题。

在区块链出现之前，商业领域的信任关系通常要依赖于正直、诚信的个人、中介

机构或其他组织才能建立起来。在区块链这个新兴的领域中，信任关系的建立是

基于网络，甚至是网络上的某个对象。由区块链驱动的智能合约将会要求双方遵

守他们的承诺。

在区块链体系中，共识机制和智能合约，保证了数据的真实性和合约执行力，实

现“去中心化”。当然还有很多技术层面的东西没有说到，感兴趣的可以深入了

解下。

虽然大部分人对于区块链的认知还停留在比特币、各种代币上，也就是对金融行

业的变革。但是了解区块链核心逻辑后，结合自己所在的行业“区块链 +”，区

块链的各行业的应用刚进前半场，相信都会想到很多好的创新方向。

『贰』 什么是区块链共识

所谓“共识机制”，是通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；对一笔交易，如果利益不相干的若干个节点能够达成共识，我们就可以认为全网对此也能够达成共识。再通俗一点来讲，如果中国一名微博大V、美国一名虚拟币玩家、一名非洲留学生和一名欧洲旅行者互不相识，但他们都一致认为你是个好人，那么基本上就可以断定你这人还不坏。
区块链作为一种按时间顺序存储数据的数据结构，可支持不同的共识机制。共识机制是区块链技术的重要组件。区块链共识机制的目标是使所有的诚实节点保存一致的区块链视图，同时满足两个性质：
1）一致性。所有诚实节点保存的区块链的前缀部分完全相同。
2）有效性。由某诚实节点发布的信息终将被其他所有诚实节点记录在自己的区块链中。

『叁』 区块链一般概念摘要

虽然是个前端开发，但是阻挡不了我八卦各种热门的心。下面简单汇总下一些学习到的概念性东西。

1、区块链技术随比特币诞生，因此先了解比特币概念

2、比特币是什么

（1）、基于分布式网络的数字货币

3、比特系统运行原理

（1）、所有节点都会保存完整账本

（2）、账本保持一致性

4、区块链记账原理

hash函数在区块链技术中有广泛的运用

（1）、哈希函数hash:任何信息hash后会得到一个简短的摘要信息

（2）、hash特点：简化信息、标识信息、隐匿信息、验证信息

（3）、区块链记账会把时间节点的账单信息hash,构成一个区块

（4）、比特币系统约10分钟记账一次，即每个区块生成的时间间隔大约10分钟

（5）、记录下一个账单时，会把上一个区块的hash值和当前账单的信息一起作为原始信息进行hash

（6）、每个区块都包含了之前区块的信息，这些区块组合成了区块链

5、比特币的所有权-非对称加密应用

比特币系统使用了椭圆曲线签名算法，算法的私钥由32个字节随机数组成，通过私钥可以计算出公钥，公钥经过一序列哈希算法和编码算法得到比特币地址，地址也可以理解为公钥的摘要。

（1）、转账是把比特币从一个地址转移到另一个地址

（2）、地址私钥是非对称的关系，私钥经过一系列的运算（其中包含两次hash），就可以得到地址，但是从地址无法得到私钥

（3）、转账成功后广播其他节点，其他节点验证成功后再转发到相邻的节点，广播的信息包含了原始的信息和签名信息

（4）、验证，其他节点验证签名信息是不是付款方用私钥对交易原始信息签名产生的，如果是才记录（再验证有足够余额）

6、比特币如何挖矿

（1）、完成记账的节点可以获得系统给予的一定数量比特币奖励（这个奖励过程也就是比特币的发行过程，因此大家把记账称为挖矿）

（2）、一段时间内只有一人可以记账成功，因此需要收集没有被收集的原始交易信息，检查有没有余额、正确签名

（3）、为了提高记账难度，十分钟左右只有一人可以记账，hash结果需要若干0开头，并且进行hash时引入随机数变量

（4）、随着更多矿工的加入，游戏难度越来越大，计算难度加大，电力损耗等加大，国内电力成本低，中国算力占整个网络的一半以上

（5）、网络中只有最快解密的区块，才会添加到账本中，其他的节点复制，保证账本的唯一性。如果有节点作弊，导致整个网络不通过，则会被丢弃再也不会记录到总账本中。因此所有节点都会遵守比特币系统的共同协议。

【关于区块链会延伸到那些领域的思考】：

由以上的概念可以总结出，区块链技术存在这安全性、唯一性、去中心化。

原则上是可以避免部分信息泄露，让确认方既可以确认你的身份，又无需暴露自己的真是用户信息等。

目前区块链技术集中被运用再比特币，我觉得后续更大的意义应该在需要数据私密性、安全性的领域。

【关于区块链目前发展的瓶颈和局限性思考】：

由于每个节点都参与了整个账本记录活动，难免造成资源的浪费和损耗。以及加大了每个节点的计算难度，后续的发展和普及需要每个节点的硬件提升。

『肆』 区块链具有哪些特点

据报道，区块链具有去中心化、去信任和不可篡改等优势特点。

而相比于互联网，Cosmos所构想的区块链网络在信息交互的同时，也实现了资产价值传递。通过IBC跨链协议，基于Cosmos的Tendermint Core开发的区块链之间能实现代币的跨链转移，而对于类似于以太坊一类的基于PoW共识机制生成的公有链，可以使用Pegged Zone桥接。

文章来源：比特110网

『伍』 深入了解区块链的共识机制及算法原理

所谓“共识机制”，是通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；对一笔交易，如果利益不相干的若干个节点能够达成共识，我们就可以认为全网对此也能够达成共识。再通俗一点来讲，如果中国一名微博大V、美国一名虚拟币玩家、一名非洲留学生和一名欧洲旅行者互不相识，但他们都一致认为你是个好人，那么基本上就可以断定你这人还不坏。

要想整个区块链网络节点维持一份相同的数据，同时保证每个参与者的公平性，整个体系的所有参与者必须要有统一的协议，也就是我们这里要将的共识算法。比特币所有的节点都遵循统一的协议规范。协议规范（共识算法）由相关的共识规则组成，这些规则可以分为两个大的核心：工作量证明与最长链机制。所有规则（共识）的最终体现就是比特币的最长链。共识算法的目的就是保证比特币不停地在最长链条上运转，从而保证整个记账系统的一致性和可靠性。

区块链中的用户进行交易时不需要考虑对方的信用、不需要信任对方，也无需一个可信的中介机构或中央机构，只需要依据区块链协议即可实现交易。这种不需要可信第三方中介就可以顺利交易的前提是区块链的共识机制，即在互不了解、信任的市场环境中，参与交易的各节点出于对自身利益考虑，没有任何违规作弊的动机、行为，因此各节点会主动自觉遵守预先设定的规则，来判断每一笔交易的真实性和可靠性，并将检验通过的记录写入到区块链中。各节点的利益各不相同，逻辑上将它们没有合谋欺骗作弊的动机产生，而当网络中有的节点拥有公共信誉时，这一点尤为明显。区块链技术运用基于数学原理的共识算法，在节点之间建立“信任”网络，利用技术手段从而实现一种创新式的信用网络。

目前区款连行业内主流的共识算法机制包含：工作量证明机制、权益证明机制、股份授权证明机制和Pool验证池这四大类。

工作量证明机制即对于工作量的证明，是生成要加入到区块链中的一笔新的交易信息(即新区块)时必须满足的要求。在基于工作量证明机制构建的区块链网络中，节点通过计算随机哈希散列的数值解争夺记账权，求得正确的数值解以生成区块的能力是节点算力的具体表现。工作量证明机制具有完全去中心化的优点，在以工作量证明机制为共识的区块链中，节点可以自由进出。大家所熟知的比特币网络就应用工作量证明机制来生产新的货币。然而，由于工作量证明机制在比特币网络中的应用已经吸引了全球计算机大部分的算力，其他想尝试使用该机制的区块链应用很难获得同样规模的算力来维持自身的安全。同时，基于工作量证明机制的挖矿行为还造成了大量的资源浪费，达成共识所需要的周期也较长，因此该机制并不适合商业应用。

2012年，化名Sunny King的网友推出了Peercoin，该加密电子货币采用工作量证明机制发行新币，采用权益证明机制维护网络安全，这是权益证明机制在加密电子货币中的首次应用。与要求证明人执行一定量的计算工作不同，权益证明要求证明人提供一定数量加密货币的所有权即可。权益证明机制的运作方式是，当创造一个新区块时，矿工需要创建一个“币权”交易，交易会按照预先设定的比例把一些币发送给矿工本身。权益证明机制根据每个节点拥有代币的比例和时间，依据算法等比例地降低节点的挖矿难度，从而加快了寻找随机数的速度。这种共识机制可以缩短达成共识所需的时间，但本质上仍然需要网络中的节点进行挖矿运算。因此，PoS机制并没有从根本上解决PoW机制难以应用于商业领域的问题。

股份授权证明机制是一种新的保障网络安全的共识机制。它在尝试解决传统的PoW机制和PoS机制问题的同时，还能通过实施科技式的民主抵消中心化所带来的负面效应。

股份授权证明机制与董事会投票类似，该机制拥有一个内置的实时股权人投票系统，就像系统随时都在召开一个永不散场的股东大会，所有股东都在这里投票决定公司决策。基于DPoS机制建立的区块链的去中心化依赖于一定数量的代表，而非全体用户。在这样的区块链中，全体节点投票选举出一定数量的节点代表，由他们来代理全体节点确认区块、维持系统有序运行。同时，区块链中的全体节点具有随时罢免和任命代表的权力。如果必要，全体节点可以通过投票让现任节点代表失去代表资格，重新选举新的代表，实现实时的民主。

股份授权证明机制可以大大缩小参与验证和记账节点的数量，从而达到秒级的共识验证。然而，该共识机制仍然不能完美解决区块链在商业中的应用问题，因为该共识机制无法摆脱对于代币的依赖，而在很多商业应用中并不需要代币的存在。

Pool验证池基于传统的分布式一致性技术建立，并辅之以数据验证机制，是目前区块链中广泛使用的一种共识机制。

Pool验证池不需要依赖代币就可以工作，在成熟的分布式一致性算法(Pasox、Raft)基础之上，可以实现秒级共识验证，更适合有多方参与的多中心商业模式。不过，Pool验证池也存在一些不足，例如该共识机制能够实现的分布式程度不如PoW机制等

这里主要讲解区块链工作量证明机制的一些算法原理以及比特币网络是如何证明自己的工作量的，希望大家能够对共识算法有一个基本的认识。

工作量证明系统的主要特征是客户端要做一定难度的工作来得到一个结果，验证方则很容易通过结果来检查客户端是不是做了相应的工作。这种方案的一个核心特征是不对称性：工作对于请求方是适中中的，对于验证方是易于验证的。它与验证码不同，验证码是易于被人类解决而不是易于被计算机解决。

下图所示的为工作量证明流程。

举个例子，给个一个基本的字符创“hello，world！”，我们给出的工作量要求是，可以在这个字符创后面添加一个叫做nonce（随机数）的整数值，对变更后（添加nonce）的字符创进行SHA-256运算，如果得到的结果（一十六进制的形式表示）以“0000”开头的，则验证通过。为了达到这个工作量证明的目标，需要不停地递增nonce值，对得到的字符创进行SHA-256哈希运算。按照这个规则，需要经过4251次运算，才能找到前导为4个0的哈希散列。

通过这个示例我们对工作量证明机制有了一个初步的理解。有人或许认为如果工作量证明只是这样一个过程，那是不是只要记住nonce为4521使计算能通过验证就行了，当然不是了，这只是一个例子。

下面我们将输入简单的变更为”Hello,World!+整数值”，整数值取1~1000，也就是说将输入变成一个1~1000的数组：Hello,World!1；Hello,World!2；...；Hello,World!1000。然后对数组中的每一个输入依次进行上面的工作量证明—找到前导为4个0的哈希散列。

由于哈希值伪随机的特性，根据概率论的相关知识容易计算出，预计要进行2的16次方次数的尝试，才能得到前导为4个0的哈希散列。而统计一下刚刚进行的1000次计算的实际结果会发现，进行计算的平均次数为66958次，十分接近2的16次方（65536）。在这个例子中，数学期望的计算次数实际就是要求的“工作量”，重复进行多次的工作量证明会是一个符合统计学规律的概率事件。

统计输入的字符创与得到对应目标结果实际使用的计算次数如下：

对于比特币网络中的任何节点，如果想生成一个新的区块加入到区块链中，则必须解决出比特币网络出的这道谜题。这道题的关键要素是工作量证明函数、区块及难度值。工作量证明函数是这道题的计算方法，区块是这道题的输入数据，难度值决定了解这道题的所需要的计算量。

比特币网络中使用的工作量证明函数正是上文提及的SHA-256。区块其实就是在工作量证明环节产生的。旷工通过不停地构造区块数据，检验每次计算出的结果是否满足要求的工作量，从而判断该区块是不是符合网络难度。区块头即比特币工作量证明函数的输入数据。

难度值是矿工们挖掘的重要参考指标，它决定了旷工需要经过多少次哈希运算才能产生一个合法的区块。比特币网络大约每10分钟生成一个区块，如果在不同的全网算力条件下，新区块的产生基本都保持这个速度，难度值必须根据全网算力的变化进行调整。总的原则即为无论挖矿能力如何，使得网络始终保持10分钟产生一个新区块。

难度值的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每隔2016个区块，所有节点都会按照统一的格式自动调整难度值，这个公式是由最新产生的2016个区块的花费时长与期望时长（按每10分钟产生一个取款，则期望时长为20160分钟）比较得出来的，根据实际时长一期望时长的比值进行调整。也就是说，如果区块产生的速度比10分钟快，则增加难度值；反正，则降低难度值。用公式来表达如下：

新难度值=旧难度值*（20160分钟/过去2016个区块花费时长）。

工作量证明需要有一个目标值。比特币工作量证明的目标值（Target）的计算公式如下：

目标值=最大目标值/难度值，其中最大目标值为一个恒定值

目标值的大小与难度值成反比，比特币工作量证明的达成就是矿中计算出来的区块哈希值必须小于目标值。

我们也可以将比特币工作量的过程简单的理解成，通过不停变更区块头（即尝试不同nonce值）并将其作为输入，进行SHA-256哈希运算，找出一个有特定格式哈希值的过程（即要求有一定数量的前导0），而要求的前导0个数越多，难度越大。

可以把比特币将这道工作量证明谜题的步骤大致归纳如下：

该过程可以用下图表示：

比特币的工作量证明，就是我们俗称“挖矿”所做的主要工作。理解工作量证明机制，将为我们进一步理解比特币区块链的共识机制奠定基础。

『陆』 《区块链项目开发指南》读书笔记

ethash

答：在DAPP中，没有一个中心服务器来协调节点，或者决定什么是对，什么是错，因此应对这个挑战确实不容易，一致性协议（concensus protocol）可用于解决这个问题。
补充：共识算法的核心就是解决拜占庭将军问题（分布式网络一致性问题）。

答：修改bug或者更新DAPP很困难。

如果我需要从一个中心化应用抓取数据，如车辆违章信息，怎么保证抓取的数据是真实有效的？
答：为了访问中心化的API，可以使用Oraclize服务可以作为中间人，Oraclize为从中心化服务智能合约中抓取的数据提供TLSNotary验证。

中心化应用的所有者需要有盈利才能长期维护应用的运行，而DAPP虽然没有所有者，但是跟中心化应用一样，DAPP节点需要硬件和网络资源才能维持运行。DAPP节点需要一些有用的回报来维持运行，于是内部货币登场了。大多数DAPP都有内置内部货币，或者可以说最成功的DAPP都有内置内部货币。如以太币

授权的DAPP不对所有人开放。授权的DAPP继承了免权限DAPP的全部属性，但需要权限才能参与到网络中去。授权的DAPP与免权限的DAPP的共识协议是不同的。授权的DAPP没有内部货币。
超级账本（Hyperledger）项目致力于开发创建授权的DAPP技术。

为什么少数国家认定比特币是非法的，大部分国家对此还没有做出决定呢？原因如下：

星际文件存储系统（InterPlanetary File System）是一个去中心化的文件系统。

目标是通过使交易几乎瞬间完成，并隐藏交易账户的信息，还可以防止他人用ISP追踪所有者。

任何人都可以成为以太坊网络中的矿工。每个矿工独自解决问题，第一个解决问题的矿工是胜利者，它得到的回报是5个以太币和该区块中全部交易的交易费。区块链中有多少个区块没有限制，可以生成的以太币总数也没有限制。

网络中的任何节点都可以检查区块链是否合法，首先检查交易在区块链中是否合法以及时间戳的验证情况，然后检查区块的目标值和随机数是否合法、矿工是否得到合法的回报等。

节点是如何发现网络中的其他节点的呢？
以太坊的节点发现协议：Kadelima，在这种协议中，有一种特殊节点Bootstrap节点。它保存了一段时间内与它连接的所有节点列表，但其本身不保存区块链。
当对等节点连接到以太坊网络时，它们首先连接到Bootstrap节点。
可以有多种以太坊实例，也就是说，不同的网络每个都有自己的网络ID。
两种主要的以太坊网络是主网和测试网。以太币在主网上交易，而测试网供开发人员测试。

一个去中心化的通信协议，它支持广播、用户到用户、加密信息等，但不用于传输大数据。

一个去中心化的文件系统。

geth为其他应用提供了与其通信的JSON-RPC API。使用HTTP、WebSocket和其他协议服务于JSON-RPC API。
JSON-RPC API提供的API分成如下类型：

以太坊网络中的节点默认用 30303 端口通信。

--networkid 用于指定网络ID，1代表主网网络ID，缺省默认值为1，2代表测试网络ID
--dev 标记运行一个私有网络
--etherbase 指定挖矿赚取的回报存入的钱包地址
--unlock 解锁一个或者多个账户

以太坊钱包与geth捆绑在一起。运行以太坊时，它会尝试发现一个本地geth实例并与之连接；如果它不能发现geth正在运行，它就启动自己的geth节点。以太坊钱包使用IPC与geth通信。geth支持以文件为基础的IPC。

以太坊下一个主要更新的名字。Serenity把共识协议改为casper，并将整合状态通道和分片。

Casper 实施了一个进程，使得它可以惩罚所有的恶意因素。这就是权益证明在Casper下是如何工作的：
验证者押下一定比例的他们拥有的以太币作为保证金。然后，他们将开始验证区块。也就是说，当他们发现一个可以他们认为可以被加到链上的区块的时候，他们将以通过押下赌注来验证它。
如果该区块被加到链上，然后验证者们将得到一个跟他们的赌注成比例的奖励。但是，如果一个验证者采用一种恶意的方式行动、试图做“无利害关系”的事，他们将立即遭到惩罚，他们所有的权益都会被砍掉。正如你可以看到的，Casper被设计成可以在一个无需信任的系统上工作，并且是更加拜占庭容错的。

支付通道 功能允许将两个以上向另一个账户发送以太币的交易合并成两个交易。其工作原理为：假设X是一个视频网站老板，Y是个用户。X每分钟收费1个以太币。现在X想让Y看视频期间每分钟交一次钱。当然，Y可以每分钟广播交易，但是这里有些问题，例如X不得不等待确认，所以视频就会中断一会。支付通道可以解决这个问题。使用支付通道，Y可以广播一个锁定交易，为X把一些以太币（比如100个以太币）锁定一段时间（比如24小时）。现在每看完一分钟视频，Y将发送一个签名记录表示可以解锁，一个以太币就进入X的账户，其余的进入Y的账户。再过一分钟，Y将发送一个签名记录表示可以解锁，两个以太币就进入X的账户，其余的进入Y的账户。Y观看X网站的视频过程中，该过程将持续。现在假设Y看完了100小时视频或者24小时时间到了，X将向网络广播最后的签名记录，以把钱收到自己的账户里。如果X没有在24小时内提款，全款会返还给Y。所以在区块链中，我们将看到lock和unlock两种交易。

Sybil攻击
51%攻击
补充：不能存储较大数据，目前有Swarm与IPFS等分布式存储方式可供选择

把所有东西都存在内存里，因此，节点一旦重启，将丢失以前的状态。
默认监听端口：8545

『柒』 区块链的共识机制是什么

如何让去中心化网络达成共识？
在区块链系统当中，没有一个像银行一样的中心化记账机构，保证每一笔交易在所有记账节点上的一致性，即让全网达成共识至关重要。共识机制解决的就是这个问题。
目前主要的共识机制有工作量证明机制PoW和权益证明机制PoS。
PoW通过评估你的工作量来决定你获得记账权的机率，工作量越大，就越有可能获得此次记账机会。
PoS通过评估你持有代币的数量和时长来决定你获得记账权的机率。这就类似于股票的分红制度，持有股权相对多的人能够获得更多的分红。
DPOS与POS原理相似，只是选了一些“人大代表”。 与PoS的主要区别在于节点选举若干代理人，由代理人验证和记账。
随着技术的发展，未来可能还会诞生更先进的共识机制。

『捌』 区块链常见的三大共识机制

区块链是建立在P2P网络，由节点参与的分布式账本系统，最大的特点是“去中心化”。也就是说在区块链系统中，用户与用户之间、用户与机构之间、机构与机构之间，无需建立彼此之间的信任，只需依靠区块链协议系统就能实现交易。

可是，要如何保证账本的准确性，权威性，以及可靠性？区块链网络上的节点为什么要参与记账？节点如果造假怎么办？如何防止账本被篡改？如何保证节点间的数据一致性？……这些都是区块链在建立“去中心化”交易时需要解决的问题，由此产生了共识机制。

所谓“共识机制”，就是通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；当出现意见不一致时，在没有中心控制的情况下，若干个节点参与决策达成共识，即在互相没有信任基础的个体之间如何建立信任关系。

区块链技术正是运用一套基于共识的数学算法，在机器之间建立“信任”网络，从而通过技术背书而非中心化信用机构来进行全新的信用创造。

不同的区块链种类需要不同的共识算法来确保区块链上最后的区块能够在任何时候都反应出全网的状态。

目前为止，区块链共识机制主要有以下几种：POW工作量证明、POS股权证明、DPOS授权股权证明、Paxos、PBFT（实用拜占庭容错算法）、dBFT、DAG（有向无环图）

接下来我们主要说说常见的POW、POS、DPOS共识机制的原理及应用场景

概念：

工作量证明机制（Proof of work ），最早是一个经济学名词，指系统为达到某一目标而设置的度量方法。简单理解就是一份证明，用来确认你做过一定量的工作，通过对工作的结果进行认证来证明完成了相应的工作量。

工作量证明机制具有完全去中心化的优点，在以工作量证明机制为共识的区块链中，节点可以自由进出，并通过计算随机哈希散列的数值解争夺记账权，求得正确的数值解以生成区块的能力是节点算力的具体表现。

应用：

POW最著名的应用当属比特币。在比特币网络中，在Block的生成过程中，矿工需要解决复杂的密码数学难题，寻找到一个符合要求的Block Hash由N个前导零构成，零的个数取决于网络的难度值。这期间需要经过大量尝试计算（工作量），计算时间取决于机器的哈希运算速度。

而寻找合理hash是一个概率事件，当节点拥有占全网n%的算力时，该节点即有n/100的概率找到Block Hash。在节点成功找到满足的Hash值之后，会马上对全网进行广播打包区块，网络的节点收到广播打包区块，会立刻对其进行验证。

如果验证通过，则表明已经有节点成功解迷，自己就不再竞争当前区块，而是选择接受这个区块，记录到自己的账本中，然后进行下一个区块的竞争猜谜。网络中只有最快解谜的区块，才会添加的账本中，其他的节点进行复制，以此保证了整个账本的唯一性。

假如节点有任何的作弊行为，都会导致网络的节点验证不通过，直接丢弃其打包的区块，这个区块就无法记录到总账本中，作弊的节点耗费的成本就白费了，因此在巨大的挖矿成本下，也使得矿工自觉自愿的遵守比特币系统的共识协议，也就确保了整个系统的安全。

优缺点

优点：结果能被快速验证，系统承担的节点量大，作恶成本高进而保证矿工的自觉遵守性。

缺点：需要消耗大量的算法，达成共识的周期较长

概念：

权益证明机制（Proof of Stake），要求证明人提供一定数量加密货币的所有权。

权益证明机制的运作方式是，当创造一个新区块时，矿工需要创建一个“币权”交易，交易会按照预先设定的比例把一些币发送给矿工本身。权益证明机制根据每个节点拥有代币的比例和时间，依据算法等比例地降低节点的挖矿难度，从而加快了寻找随机数的速度。

应用：

2012年，化名Sunny King的网友推出了Peercoin（点点币），是权益证明机制在加密电子货币中的首次应用。PPC最大创新是其采矿方式混合了POW及POS两种方式，采用工作量证明机制发行新币，采用权益证明机制维护网络安全。

为了实现POS，Sunny King借鉴于中本聪的Coinbase，专门设计了一种特殊类型交易，叫Coinstake。

上图为Coinstake工作原理，其中币龄指的是货币的持有时间段，假如你拥有10个币，并且持有10天，那你就收集到了100天的币龄。如果你使用了这10个币，币龄被消耗（销毁）了。

优缺点：

优点：缩短达成共识所需的时间，比工作量证明更加节约能源。

缺点：本质上仍然需要网络中的节点进行挖矿运算，转账真实性较难保证

概念：

授权股权证明机制（Delegated Proof of Stake），与董事会投票类似，该机制拥有一个内置的实时股权人投票系统，就像系统随时都在召开一个永不散场的股东大会，所有股东都在这里投票决定公司决策。

授权股权证明在尝试解决传统的PoW机制和PoS机制问题的同时，还能通过实施科技式的民主抵消中心化所带来的负面效应。基于DPoS机制建立的区块链的去中心化依赖于一定数量的代表，而非全体用户。在这样的区块链中，全体节点投票选举出一定数量的节点代表，由他们来代理全体节点确认区块、维持系统有序运行。

同时，区块链中的全体节点具有随时罢免和任命代表的权力。如果必要，全体节点可以通过投票让现任节点代表失去代表资格，重新选举新的代表，实现实时的民主。

应用：

比特股（Bitshare）是一类采用DPOS机制的密码货币。通过引入了见证人这个概念，见证人可以生成区块，每一个持有比特股的人都可以投票选举见证人。得到总同意票数中的前N个（N通常定义为101）候选者可以当选为见证人，当选见证人的个数（N）需满足：至少一半的参与投票者相信N已经充分地去中心化。

见证人的候选名单每个维护周期（1天）更新一次。见证人然后随机排列，每个见证人按序有2秒的权限时间生成区块，若见证人在给定的时间片不能生成区块，区块生成权限交给下一个时间片对应的见证人。DPoS的这种设计使得区块的生成更为快速，也更加节能。

DPOS充分利用了持股人的投票，以公平民主的方式达成共识，他们投票选出的N个见证人，可以视为N个矿池，而这N个矿池彼此的权利是完全相等的。持股人可以随时通过投票更换这些见证人（矿池），只要他们提供的算力不稳定，计算机宕机，或者试图利用手中的权力作恶。

优缺点：

优点：缩小参与验证和记账节点的数量，从而达到秒级的共识验证

缺点：中心程度较弱，安全性相比POW较弱，同时节点代理是人为选出的，公平性相比POS较低，同时整个共识机制还是依赖于代币的增发来维持代理节点的稳定性。

『玖』 区块链 --- 共识算法

PoW算法是一种防止分布式服务资源被滥用、拒绝服务攻击的机制。它要求节点进行适量消耗时间和资源的复杂运算，并且其运算结果能被其他节点快速验算，以耗用时间、能源做担保，以确保服务与资源被真正的需求所使用。

PoW算法中最基本的技术原理是使用哈希算法。假设求哈希值Hash(r)，若原始数据为r（raw），则运算结果为R（Result）。

R = Hash(r)

哈希函数Hash()的特性是，对于任意输入值r，得出结果R，并且无法从R反推回r。当输入的原始数据r变动1比特时，其结果R值完全改变。在比特币的PoW算法中，引入算法难度d和随机值n，得到以下公式：

Rd = Hash(r+n)

该公式要求在填入随机值n的情况下，计算结果Rd的前d字节必须为0。由于哈希函数结果的未知性，每个矿工都要做大量运算之后，才能得出正确结果，而算出结果广播给全网之后，其他节点只需要进行一次哈希运算即可校验。PoW算法就是采用这种方式让计算消耗资源，而校验仅需一次。

 

PoS算法要求节点验证者必须质押一定的资金才有挖矿打包资格，并且区域链系统在选定打包节点时使用随机的方式，当节点质押的资金越多时，其被选定打包区块的概率越大。

POS模式下，每个币每天产生1币龄，比如你持有100个币，总共持有了30天，那么，此时你的币龄就为3000。这个时候，如果你验证了一个POS区块，你的币龄就会被清空为0，同时从区块中获得相对应的数字货币利息。

节点通过PoS算法出块的过程如下：普通的节点要成为出块节点，首先要进行资产的质押，当轮到自己出块时，打包区块，然后向全网广播，其他验证节点将会校验区块的合法性。

 

DPoS算法和PoS算法相似，也采用股份和权益质押。

但不同的是，DPoS算法采用委托质押的方式，类似于用全民选举代表的方式选出N个超级节点记账出块。

选民把自己的选票投给某个节点，如果某个节点当选记账节点，那么该记账节点往往在获取出块奖励后，可以采用任意方式来回报自己的选民。

这N个记账节点将轮流出块，并且节点之间相互监督，如果其作恶，那么会被扣除质押金。

通过信任少量的诚信节点，可以去除区块签名过程中不必要的步骤，提高了交易的速度。
 

拜占庭问题：

拜占庭是古代东罗马帝国的首都，为了防御在每块封地都驻扎一支由单个将军带领的军队，将军之间只能靠信差传递消息。在战争时，所有将军必须达成共识，决定是否共同开战。

但是，在军队内可能有叛徒，这些人将影响将军们达成共识。拜占庭将军问题是指在已知有将军是叛徒的情况下，剩余的将军如何达成一致决策的问题。

BFT：

BFT即拜占庭容错，拜占庭容错技术是一类分布式计算领域的容错技术。拜占庭假设是对现实世界的模型化，由于硬件错误、网络拥塞或中断以及遭到恶意攻击等原因，计算机和网络可能出现不可预料的行为。拜占庭容错技术被设计用来处理这些异常行为，并满足所要解决的问题的规范要求。

拜占庭容错系统 ：

发生故障的节点被称为 拜占庭节点 ，而正常的节点即为 非拜占庭节点 。

假设分布式系统拥有n台节点，并假设整个系统拜占庭节点不超过m台（n ≥ 3m + 1），拜占庭容错系统需要满足如下两个条件：

另外，拜占庭容错系统需要达成如下两个指标：

PBFT即实用拜占庭容错算法，解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题，算法的时间复杂度是O(n^2)，使得在实际系统应用中可以解决拜占庭容错问题
 

PBFT是一种状态机副本复制算法，所有的副本在一个视图（view）轮换的过程中操作，主节点通过视图编号以及节点数集合来确定，即：主节点 p = v mod |R|。v：视图编号，|R|节点个数，p：主节点编号。

PBFT算法的共识过程如下：客户端（Client）发起消息请求（request），并广播转发至每一个副本节点（Replica），由其中一个主节点（Leader）发起提案消息pre-prepare，并广播。其他节点获取原始消息，在校验完成后发送prepare消息。每个节点收到2f+1个prepare消息，即认为已经准备完毕，并发送commit消息。当节点收到2f+1个commit消息，客户端收到f+1个相同的reply消息时，说明客户端发起的请求已经达成全网共识。

具体流程如下 ：

客户端c向主节点p发送<REQUEST, o, t, c>请求。o: 请求的具体操作，t: 请求时客户端追加的时间戳，c：客户端标识。REQUEST: 包含消息内容m，以及消息摘要d(m)。客户端对请求进行签名。

主节点收到客户端的请求，需要进行以下交验：

a. 客户端请求消息签名是否正确。

非法请求丢弃。正确请求，分配一个编号n，编号n主要用于对客户端的请求进行排序。然后广播一条<<PRE-PREPARE, v, n, d>, m>消息给其他副本节点。v：视图编号，d客户端消息摘要，m消息内容。<PRE-PREPARE, v, n, d>进行主节点签名。n是要在某一个范围区间内的[h, H]，具体原因参见 垃圾回收 章节。

副本节点i收到主节点的PRE-PREPARE消息，需要进行以下交验：

a. 主节点PRE-PREPARE消息签名是否正确。

b. 当前副本节点是否已经收到了一条在同一v下并且编号也是n，但是签名不同的PRE-PREPARE信息。

c. d与m的摘要是否一致。

d. n是否在区间[h, H]内。

非法请求丢弃。正确请求，副本节点i向其他节点包括主节点发送一条<PREPARE, v, n, d, i>消息, v, n, d, m与上述PRE-PREPARE消息内容相同，i是当前副本节点编号。<PREPARE, v, n, d, i>进行副本节点i的签名。记录PRE-PREPARE和PREPARE消息到log中，用于View Change过程中恢复未完成的请求操作。

主节点和副本节点收到PREPARE消息，需要进行以下交验：

a. 副本节点PREPARE消息签名是否正确。

b. 当前副本节点是否已经收到了同一视图v下的n。

c. n是否在区间[h, H]内。

d. d是否和当前已收到PRE-PPREPARE中的d相同

非法请求丢弃。如果副本节点i收到了2f+1个验证通过的PREPARE消息，则向其他节点包括主节点发送一条<COMMIT, v, n, d, i>消息，v, n, d, i与上述PREPARE消息内容相同。<COMMIT, v, n, d, i>进行副本节点i的签名。记录COMMIT消息到日志中，用于View Change过程中恢复未完成的请求操作。记录其他副本节点发送的PREPARE消息到log中。

主节点和副本节点收到COMMIT消息，需要进行以下交验：

a. 副本节点COMMIT消息签名是否正确。

b. 当前副本节点是否已经收到了同一视图v下的n。

c. d与m的摘要是否一致。

d. n是否在区间[h, H]内。

非法请求丢弃。如果副本节点i收到了2f+1个验证通过的COMMIT消息，说明当前网络中的大部分节点已经达成共识，运行客户端的请求操作o，并返回<REPLY, v, t, c, i, r>给客户端，r：是请求操作结果，客户端如果收到f+1个相同的REPLY消息，说明客户端发起的请求已经达成全网共识，否则客户端需要判断是否重新发送请求给主节点。记录其他副本节点发送的COMMIT消息到log中。
 

如果主节点作恶，它可能会给不同的请求编上相同的序号，或者不去分配序号，或者让相邻的序号不连续。备份节点应当有职责来主动检查这些序号的合法性。

如果主节点掉线或者作恶不广播客户端的请求，客户端设置超时机制，超时的话，向所有副本节点广播请求消息。副本节点检测出主节点作恶或者下线，发起View Change协议。

View Change协议 ：

副本节点向其他节点广播<VIEW-CHANGE, v+1, n, C , P , i>消息。n是最新的stable checkpoint的编号， C 是 2f+1验证过的CheckPoint消息集合， P 是当前副本节点未完成的请求的PRE-PREPARE和PREPARE消息集合。

当主节点p = v + 1 mod |R|收到 2f 个有效的VIEW-CHANGE消息后，向其他节点广播<NEW-VIEW, v+1, V , O >消息。 V 是有效的VIEW-CHANGE消息集合。 O 是主节点重新发起的未经完成的PRE-PREPARE消息集合。PRE-PREPARE消息集合的选取规则：

副本节点收到主节点的NEW-VIEW消息，验证有效性，有效的话，进入v+1状态，并且开始 O 中的PRE-PREPARE消息处理流程。
 

在上述算法流程中，为了确保在View Change的过程中，能够恢复先前的请求，每一个副本节点都记录一些消息到本地的log中，当执行请求后副本节点需要把之前该请求的记录消息清除掉。

最简单的做法是在Reply消息后，再执行一次当前状态的共识同步，这样做的成本比较高，因此可以在执行完多条请求K（例如：100条）后执行一次状态同步。这个状态同步消息就是CheckPoint消息。

副本节点i发送<CheckPoint, n, d, i>给其他节点，n是当前节点所保留的最后一个视图请求编号，d是对当前状态的一个摘要，该CheckPoint消息记录到log中。如果副本节点i收到了2f+1个验证过的CheckPoint消息，则清除先前日志中的消息，并以n作为当前一个stable checkpoint。

这是理想情况，实际上当副本节点i向其他节点发出CheckPoint消息后，其他节点还没有完成K条请求，所以不会立即对i的请求作出响应，它还会按照自己的节奏，向前行进，但此时发出的CheckPoint并未形成stable。

为了防止i的处理请求过快，设置一个上文提到的 高低水位区间[h, H] 来解决这个问题。低水位h等于上一个stable checkpoint的编号，高水位H = h + L，其中L是我们指定的数值，等于checkpoint周期处理请求数K的整数倍，可以设置为L = 2K。当副本节点i处理请求超过高水位H时，此时就会停止脚步，等待stable checkpoint发生变化，再继续前进。
 

在区块链场景中，一般适合于对强一致性有要求的私有链和联盟链场景。例如，在IBM主导的区块链超级账本项目中，PBFT是一个可选的共识协议。在Hyperledger的Fabric项目中，共识模块被设计成可插拔的模块，支持像PBFT、Raft等共识算法。
 

 

Raft基于领导者驱动的共识模型，其中将选举一位杰出的领导者(Leader)，而该Leader将完全负责管理集群，Leader负责管理Raft集群的所有节点之间的复制日志。
 

下图中，将在启动过程中选择集群的Leader（S1），并为来自客户端的所有命令/请求提供服务。 Raft集群中的所有节点都维护一个分布式日志（复制日志）以存储和提交由客户端发出的命令（日志条目）。 Leader接受来自客户端的日志条目，并在Raft集群中的所有关注者（S2，S3，S4，S5）之间复制它们。

在Raft集群中，需要满足最少数量的节点才能提供预期的级别共识保证， 这也称为法定人数。 在Raft集群中执行操作所需的最少投票数为 (N / 2 +1) ，其中N是组中成员总数，即 投票至少超过一半 ，这也就是为什么集群节点通常为奇数的原因。 因此，在上面的示例中，我们至少需要3个节点才能具有共识保证。

如果法定仲裁节点由于任何原因不可用，也就是投票没有超过半数，则此次协商没有达成一致，并且无法提交新日志。

 

数据存储：Tidb/TiKV

日志：阿里巴巴的 DLedger

服务发现：Consul& etcd

集群调度：HashiCorp Nomad
 

只能容纳故障节点(CFT)，不容纳作恶节点

顺序投票，只能串行apply，因此高并发场景下性能差
 

Raft通过解决围绕Leader选举的三个主要子问题，管理分布式日志和算法的安全性功能来解决分布式共识问题。

当我们启动一个新的Raft集群或某个领导者不可用时，将通过集群中所有成员节点之间协商来选举一个新的领导者。 因此，在给定的实例中，Raft集群的节点可以处于以下任何状态: 追随者(Follower)，候选人(Candidate)或领导者(Leader)。

系统刚开始启动的时候，所有节点都是follower，在一段时间内如果它们没有收到Leader的心跳信号，follower就会转化为Candidate；

如果某个Candidate节点收到大多数节点的票，则这个Candidate就可以转化为Leader，其余的Candidate节点都会回到Follower状态；

一旦一个Leader发现系统中存在一个Leader节点比自己拥有更高的任期(Term)，它就会转换为Follower。

Raft使用基于心跳的RPC机制来检测何时开始新的选举。 在正常期间， Leader 会定期向所有可用的 Follower 发送心跳消息（实际中可能把日志和心跳一起发过去）。 因此，其他节点以 Follower 状态启动，只要它从当前 Leader 那里收到周期性的心跳，就一直保持在 Follower 状态。

当 Follower 达到其超时时间时，它将通过以下方式启动选举程序：

根据 Candidate 从集群中其他节点收到的响应，可以得出选举的三个结果。

共识算法的实现一般是基于复制状态机（Replicated state machines），何为 复制状态机 ：

简单来说： 相同的初识状态 + 相同的输入 = 相同的结束状态 。不同节点要以相同且确定性的函数来处理输入，而不要引入一下不确定的值，比如本地时间等。使用replicated log是一个很不错的注意，log具有持久化、保序的特点，是大多数分布式系统的基石。

有了Leader之后，客户端所有并发的请求可以在Leader这边形成一个有序的日志（状态）序列，以此来表示这些请求的先后处理顺序。Leader然后将自己的日志序列发送Follower，保持整个系统的全局一致性。注意并不是强一致性，而是 最终一致性 。

日志由有序编号（log index）的日志条目组成。每个日志条目包含它被创建时的任期号（term），和日志中包含的数据组成，日志包含的数据可以为任何类型，从简单类型到区块链的区块。每个日志条目可以用[ term, index, data]序列对表示，其中term表示任期， index表示索引号，data表示日志数据。

Leader 尝试在集群中的大多数节点上执行复制命令。 如果复制成功，则将命令提交给集群，并将响应发送回客户端。类似两阶段提交(2PC)，不过与2PC的区别在于，leader只需要超过一半节点同意（处于工作状态）即可。

leader 、 follower 都可能crash，那么 follower 维护的日志与 leader 相比可能出现以下情况

当出现了leader与follower不一致的情况，leader强制follower复制自己的log， Leader会从后往前试 ，每次AppendEntries失败后尝试前一个日志条目（递减nextIndex值）， 直到成功找到每个Follower的日志一致位置点（基于上述的两条保证），然后向后逐条覆盖Followers在该位置之后的条目 。所以丢失的或者多出来的条目可能会持续多个任期。
 

要求候选人的日志至少与其他节点一样最新。如果不是，则跟随者节点将不投票给候选者。

意味着每个提交的条目都必须存在于这些服务器中的至少一个中。如果候选人的日志至少与该多数日志中的其他日志一样最新，则它将保存所有已提交的条目，避免了日志回滚事件的发生。

即任一任期内最多一个leader被选出。这一点非常重要，在一个复制集中任何时刻只能有一个leader。系统中同时有多余一个leader，被称之为脑裂（brain split），这是非常严重的问题，会导致数据的覆盖丢失。在raft中，两点保证了这个属性：

因此， 某一任期内一定只有一个leader 。
 

当集群中节点的状态发生变化（集群配置发生变化）时，系统容易受到系统故障。 因此，为防止这种情况，Raft使用了一种称为两阶段的方法来更改集群成员身份。 因此，在这种方法中，集群在实现新的成员身份配置之前首先更改为中间状态（称为联合共识）。 联合共识使系统即使在配置之间进行转换时也可用于响应客户端请求，它的主要目的是提升分布式系统的可用性。

『拾』 区块变化会导致后续节点的什么变化

区块链采用P2P网络，所有节点都是对等的。如果修改了本地区块链，还需要传播到所有节点，而一致性协议规定了半数以上的结果才能被支持。

这又大大增加了篡改的代价。篡改交易会导致默克尔树根变化，从而导致区块变化；而区块变化会导致后继节点的“前一区块的哈希值”变化，从而导致整个链的变化；要将篡改后的区块链同步到所有对等网络节点，由于一致性协议的限制，几乎没有可能。

区块链（英语：blockchain 或 block chain）是用分布式数据库识别、传播和记载信息的智能化对等网络, 也称为价值互联网。中本聪在2008年，于《比特币白皮书》中提出“区块链”概念，并在2009年创立了比特币社会网络，开发出第一个区块，即“创世区块”。

总结如下：

区块链共享价值体系首先被众多的加密货币效仿，并在工作量证明上和算法上进行了改进，如采用权益证明和SCrypt算法。随后，区块链生态系统在全球不断进化，出现了首次代币发售ICO；智能合约区块链以太坊。

“轻所有权、重使用权”的资产代币化共享经济； 和区块链国家。人们正在利用这一共享价值体系，在各行各业开发去中心化电脑程序(Decentralized applications, Dapp)。

在全球各地构建去中心化自主组织和去中心化自主社区(Decentralized autonomous society, DAS)。