去中心化特性決定了區(qū)塊鏈有達成共識的需要。區(qū)塊鏈的共識機制從比特幣的PoW開始逐漸發(fā)展出新模式，如PoS、BFT等。而波卡采用了混合的共識算法。共識機制一直都會是區(qū)塊鏈技術發(fā)展的重點領域。

· 雙重支付

· 中心化的貨幣發(fā)行

本文首先介紹比特幣解決上述問題的方法，其次討論共識的一些精妙之處，如容錯性和最終性（最終確定性的簡稱），最后以一些項目為例子進行討論，以及探討未來的方向。

比特幣如何解決雙重支付和貨幣發(fā)行問題？

要理解為什么容錯性對區(qū)塊鏈如此重要，有必要解釋一下比特幣解決的兩個問題（雙花和中心化貨幣發(fā)行）。

換句話說，為了防止任意超發(fā)，比特幣以一種可預測、透明且去中心化的方式發(fā)行貨幣。管理貨幣轉(zhuǎn)賬和發(fā)行過程的機制的就是共識算法，能夠確保整個交易歷史的一致性（共識）。

共識算法在區(qū)塊鏈技術時代并不是新玩意兒，強調(diào)比特幣為什么具有創(chuàng)新性是很重要的：因為在公有的無須許可的網(wǎng)絡中，即使有潛在的惡意行為者出現(xiàn)，比特幣也可以達成共識。

PoW的共識算法

眾所周知，像比特幣這種PoW的區(qū)塊鏈，節(jié)點通過獲得創(chuàng)建新區(qū)塊所產(chǎn)生的新幣獎勵，來維護整個網(wǎng)絡的安全。該獎勵提供了一種激勵機制，使礦工在盡可能快速創(chuàng)造新區(qū)塊的同時，始終表現(xiàn)誠實。

獲勝的關鍵在于，創(chuàng)造新區(qū)塊需要解出一個獨特且計算困難的數(shù)學難題。它數(shù)學題的難度從根本上限制了新區(qū)塊產(chǎn)生的速度，且答案的唯一性可以使網(wǎng)絡識別出獲勝節(jié)點（通過他們的地址）。雖然惡意行為不會受到特意懲罰，但并沒有動力去做，因為不誠實的行為存在機會成本。

存在的一個問題是，節(jié)點之間的通信不是即時的，因此處于網(wǎng)絡中不同地理區(qū)域的節(jié)點可能會收到自稱已解出難題的不同區(qū)塊（網(wǎng)絡分區(qū)/分叉）。兩個不同的節(jié)點 （礦工） 有可能碰巧都合法地解出了難題，但是由于全網(wǎng)不同區(qū)域間不是即時通信，網(wǎng)絡中的不同分區(qū)就會選擇基于不同的獲勝區(qū)塊來構(gòu)建區(qū)塊鏈（臨時性）。這會導致臨時分叉，但由于總有新區(qū)塊被添加到每個分支上，最終總會出現(xiàn)一個較長的分支。

選擇最長的區(qū)塊分支，實際上是比特幣為實現(xiàn)共識而制定的規(guī)則，該規(guī)則被稱為最長鏈規(guī)則。較短分支上的區(qū)塊則會被丟棄，并且所有不在主分支上的交易最終都會被添加到主分支的區(qū)塊中。請注意，非法交易（例如：那些試圖進行雙重支付的交易）則不會被包含在構(gòu)成最長鏈的區(qū)塊中。包含此類交易的區(qū)塊也將被丟棄，因為任何“貨幣”都只能被花費一次。這里需要注意的是，大多數(shù)節(jié)點都是誠實的（至少51%），并且這些節(jié)點不會嘗試去破壞協(xié)議。

理論上講，一條新的最長鏈可以通過擁有更強的挖礦算力創(chuàng)造出來。但是這對于靠近“鏈的頭部”的區(qū)塊（最新產(chǎn)生的區(qū)塊）來說，風險是最大的。區(qū)塊在整個鏈上的深度越深，它被逆轉(zhuǎn)的可能性就越小。

這說明PoW 鏈上的區(qū)塊總是會有被逆轉(zhuǎn)的可能，那么這些區(qū)塊中的交易也就可能都沒發(fā)生。在一條被惡意創(chuàng)造的鏈上，交易是不會被保存進新區(qū)塊中，原因如上所述。

比特幣白皮書中建議，等待6 個區(qū)塊的時間便足以確保交易不會被拒絕，因為此時區(qū)塊被丟棄的可能性非常小。我們可以從這里認識“最終確定性”（以下簡稱最終性）：無法被逆轉(zhuǎn)的區(qū)塊可以被稱作是“最終確定的”。在比特幣及其他PoW 區(qū)塊鏈中，最終性并不是那么完美，因為區(qū)塊總有被逆轉(zhuǎn)的可能。

以上說明，比特幣具有強大的抵抗故障的魯棒性，并且可以在公共和無須許可的網(wǎng)絡中以去中心化的方式發(fā)行貨幣。通過探索確保最終性的方法，能夠確保更高水平的安全性。這一觀點將在后文的容錯部分中進行探討。

PoS區(qū)塊鏈

還應該注意的是，一些權(quán)益證明（PoS） 區(qū)塊鏈的運行方式與比特幣類似。大多數(shù) PoS 鏈用選舉產(chǎn)生區(qū)塊來代替挖礦。與PoW鏈讓獲勝礦工創(chuàng)建下個區(qū)塊不同，PoS鏈的新區(qū)塊是由隨機選擇的節(jié)點（“領導者”）來創(chuàng)建。

被選中（創(chuàng)建新區(qū)塊）的概率是由權(quán)益的數(shù)量來決定的。這個理念是，持有的幣越多，說明更希望區(qū)塊鏈取得成功，因此這樣的節(jié)點將獲得更大概率來創(chuàng)建下個區(qū)塊。

NXT 是最早的 PoS 鏈之一，使用這種隨機（選舉）領導者的方法來創(chuàng)建新區(qū)塊。NXT 的共識機制與比特幣相同：創(chuàng)建的新區(qū)塊都會被添加到最長鏈上。通過遵守這個規(guī)則，任何分叉問題都能夠被解決，節(jié)點則繼續(xù)在最長鏈上創(chuàng)建區(qū)塊。

拜占庭協(xié)議與容錯性

當參與者出現(xiàn)違反協(xié)議的操作時，（網(wǎng)絡）就會出現(xiàn)錯誤。對區(qū)塊鏈來說，因為可能存在惡意行為者試圖利用協(xié)議的弱點，所以我們希望協(xié)議足夠安全，可以抵御任何故障。任何可抵御任意故障的協(xié)議，也足夠安全去防范隨機故障及惡意行為者。

即使有一小部分參與者的行為表現(xiàn)異常，拜占庭容錯（BFT） 協(xié)議也能正常工作。行為不當?shù)墓?jié)點，可能是發(fā)生了意外故障，也可能是惡意行為。當然，這里假設大多數(shù)參與者都是遵守協(xié)議的。這種觀點在一篇名為“拜占庭將軍問題”的研究論文中提到。該問題討論的是，多個參與者如何就一個簡單的信息達成一致。（藍狐筆記注：拜占庭問題可以參考藍狐筆記之前的文章《簡單讀懂拜占庭容錯》）

當在拜占庭協(xié)議中達成共識時，商定好的結(jié)果一定是正確的。也就是說，商定的結(jié)果可以被看作是確定性的正確，而不是概率性的。當應用在區(qū)塊鏈時，拜占庭算法保證了交易的最終性。這意味著一旦在區(qū)塊中達成協(xié)議，區(qū)塊就會最終確定，其中的交易也不能被逆轉(zhuǎn)。

顯然這與比特幣和其他PoW 鏈不同。如上所述，那些鏈僅能達成一定概率的確定性。比特幣的共識類型通常被稱為“中本聰共識”，很容易看出來，為什么它會和拜占庭容錯混淆，因為二者都是可容錯的，但只有后者才能保證最終確定性。更深層次的混淆，來自于比特幣的區(qū)塊創(chuàng)建與共識算法高度重疊。但事實上并不需要這樣。

以太坊未來路線的提案之一，就是像現(xiàn)在一樣繼續(xù)由礦工生產(chǎn)區(qū)塊，但會讓一些節(jié)點充當驗證者來提供最終確定性，從而加強共識。驗證者在已創(chuàng)建的區(qū)塊上進行投票。通過給某個區(qū)塊投票，即表示他們認為該區(qū)塊是正確的。一旦有三分之二的驗證者投票，那么這個區(qū)塊就可以被認為是最終確定的了。這種在挖礦后的拜占庭共識機制被稱為“最終確定性組件”。

發(fā)展探索

大多數(shù)正在開發(fā)的新項目都將區(qū)塊創(chuàng)建與共識進行分離。未來的一些區(qū)塊鏈也將采用混合共識算法。這一部分將介紹一些正在探索的未來方向。

Cosmos（ATOM）

Cosmos 的區(qū)塊創(chuàng)建也是由（通過權(quán)益的權(quán)重比例）隨機選擇的領導者完成，但是Cosmos 的共識中沒有最長鏈規(guī)則。相應地，它采用了被稱為Tendermint 的拜占庭算法。這意味著每個區(qū)塊都能保證最終確定性。此外，如果驗證者不能就單個區(qū)塊達成共識，按照Cosmos的設計，Cosmos將會暫時停下來，以防止分叉。

Polkadot波卡（DOT）

Polkadot采用混合共識算法。區(qū)塊將由隨機領導者創(chuàng)建，該領導者會將下個區(qū)塊添加到最長鏈上。Polkadot 還將采用拜占庭協(xié)議，但不是每輪投票只產(chǎn)生一個區(qū)塊，而是在一次投票中最終確定多個區(qū)塊。

采用混合共識機制的一個好處是，區(qū)塊鏈可以在最長鏈上連續(xù)生產(chǎn)區(qū)塊，同時在不影響鏈活性（即鏈永遠不會被停止）的情況下，最終實現(xiàn)拜占庭最終確定性。

目前在Polkadot 當前的測試網(wǎng)絡 PoC-2 （也叫做 Krumme Lanke） 中，其共識類似于 Cosmos。區(qū)塊由隨機選擇的驗證者節(jié)點生成，在通過拜占庭協(xié)議將其最終確定后，再生產(chǎn)下個區(qū)塊。

Cardano（ADA）

簡單來說，Cardano 的共識算法類似于比特幣（最長鏈規(guī)則）。與NXT 相同，區(qū)塊的生產(chǎn)由隨機選擇的領導者完成。

Cardano 團隊已竭盡全力解決了一些在隨機選擇領導者時出現(xiàn)的問題。他們已經(jīng)確保選擇領導者的隨機性與目前比特幣出塊方式一致。

然而比特幣是沒有領導者的，區(qū)塊由隨機礦工生產(chǎn)。挖礦難題的解集將分布在擁有最大哈希算力的礦工附近。

Ethereum以太坊

以太坊也曾經(jīng)嘗試通過加入一個在出塊后保證最終確定性的步驟，來加強共識算法的方式。區(qū)塊仍舊通過PoW 生成，但是會有一組驗證者節(jié)點對已出區(qū)塊的正確性進行投票。這就是所謂的“最終確定性組件”。也就是說，該方法結(jié)合了最長鏈規(guī)則和拜占庭容錯算法：即兩種共識算法的混合。

最近似乎有跡象表明，以太坊將可能使用權(quán)益證明（PoS） 取代 PoW，使以太坊與正在開發(fā)的新鏈保持一致。區(qū)塊將由一個隨機領導者來創(chuàng)建，然后由一個最終確定化組件來最終確定。

優(yōu)化方法

區(qū)塊鏈的“舊時代”主要圍繞使用PoW 挖礦及使用最長鏈規(guī)則，來增強網(wǎng)絡共識。后來為了用更節(jié)能的方式，開始嘗試使用 PoS取代挖礦。過去的 PoS 鏈仍然使用最長鏈規(guī)則；然而，近年來的趨勢是將拜占庭容錯協(xié)議也納入共識機制：而不使用最長鏈規(guī)則（Cosmos）， 或者讓兩者共存（以太坊和Polkadot）。