共識機制已經(jīng)成為了目前區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵瓶頸。

單一的共識算法均存在各種問題，如PoW算法存在消耗大量計算資源及性能低下的問題，PoS或DPoS存在“富豪統(tǒng)治”問題，融合多種共識算法優(yōu)勢的想法正受到越來越廣泛的關(guān)注。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€分布式系統(tǒng)，分布式系統(tǒng)碰到的第一個問題就是一致性問題。

在分布式系統(tǒng)中，一致性是指：對于系統(tǒng)中的多個服務(wù)節(jié)點，給定一系列操作，在協(xié)議（往往通過某種共識算法）保障下，試圖使得他們對處理結(jié)果達成某種程度的一致。

如果一個分布式系統(tǒng)無法保證處理結(jié)果一致的話，那任何建立于其上的業(yè)務(wù)系統(tǒng)都無法正常工作。

分布式系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)包括：

1）資源受限：節(jié)點間的通信需要通過網(wǎng)絡(luò)，而網(wǎng)絡(luò)存在帶寬限制和時延，節(jié)點也無法做到瞬間響應(yīng)和高吞吐。

2）故障的獨立性：系統(tǒng)的任何一個模塊都可能發(fā)生故障，如節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)通訊是不可靠的，隨時可能發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障或任意延遲；節(jié)點的處理可能是錯誤的，甚至節(jié)點自身隨時可能宕機。

3）不透明性：分布式系統(tǒng)中任何組件所在的位置、性能、狀態(tài)、是否故障等情況對于其它組件來說都是不可見的、也無法預(yù)知的。

4）并發(fā)：分布式系統(tǒng)的目的，是為了更好的共享資源。同步調(diào)用會讓系統(tǒng)阻塞，因此節(jié)點間通信通常設(shè)計成異步的。

5）缺乏全局時鐘：在程序需要協(xié)作時，它們通過交換消息來協(xié)調(diào)它們的動作。緊密的協(xié)調(diào)經(jīng)常依賴于對程序動作發(fā)生時間的共識，但是，實際上網(wǎng)絡(luò)上計算機同步時鐘的準(zhǔn)確性受到極大的限制，即沒有一個一致的全局時間的概念。這是通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息作為唯一的通信方式這一事實帶來的直接結(jié)果。

由于上述挑戰(zhàn)的存在，分布式系統(tǒng)中的一致性保證機制是分布式系統(tǒng)設(shè)計中最關(guān)鍵也是最有難度的領(lǐng)域，分布式系統(tǒng)中關(guān)于一致性的理論基礎(chǔ)已經(jīng)比較完善，在理論指導(dǎo)下，學(xué)術(shù)界和業(yè)界都提出了很多的共識算法試圖解決分布式系統(tǒng)中的一致性問題。

接下來我們先來了解一下分布式系統(tǒng)中關(guān)于一致性的理論基礎(chǔ)，再基于理論來分析幾個被區(qū)塊鏈項目所廣泛采用的一致算法。

FLP不可能定理

因為同步通信中的一致性被證明是可以達到的，因此一直有人嘗試各種算法解決異步環(huán)境的一致性問題。然而Fischer， Lynch and Patterson三位作者于1985年發(fā)表了一篇論文，提出并證明了一個定理，即“FLP不可能定理”：

在網(wǎng)絡(luò)可靠，存在節(jié)點失效（即便只有一個）的最小化異步模型系統(tǒng)中，不存在一個可以解決一致性問題的確定性算法。

FLP不可能定理論證了最壞的情況是沒有下限，要實現(xiàn)一個完美的容錯的異步的一致性系統(tǒng)是不可能的。

CAP定理

FLP不可能定理只是說明了100%保證一致性是不可能的，這并不影響我們對分布一致性的探索。

例如99%以上的一致性還是完全有可能做到的；又如放寬時間限制，即要求系統(tǒng)在一段時間后最終達到一致性（達不成一致則系統(tǒng)不可用），也是可以做到的；再如，將部分通信改成同步的，犧牲一定的可用性和吞吐量，就能得到一個一致性較強的協(xié)議。

CAP定理即描述了分布式系統(tǒng)中關(guān)于一致性和可用性的關(guān)系：

一個分布式系統(tǒng)最多只能同時滿足（強）一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分區(qū)容錯性（PartiTIon tolerance）這三項要素中的兩項。

CAP定理起源于計算機科學(xué)家埃里克·布魯爾在2000年的分布式計算原則研討會（Symposium on Principles of Distributed CompuTIng（PODC））上提出的一個猜想。在2002年，麻省理工學(xué)院（MIT）的Nancy Lynch （跟證明FLP定理的Lynch是同一位）和Seth Gilbert發(fā)表了布魯爾猜想的證明，使之成為一個定理。

對于分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)，分區(qū)容錯性是基本要求，因為故障的存在是必然的。因此設(shè)計分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)，就是在一致性和可用性之間取一個平衡。

拜占庭將軍問題

拜占庭將軍問題（ByzanTIne Generals Problem），是由萊斯利·蘭波特在其同名論文中提出的分布式對等網(wǎng)絡(luò)通信容錯問題，對網(wǎng)絡(luò)中存在作惡節(jié)點的情況進行建模。由于作惡節(jié)點的存在，拜占庭將軍問題被認為是容錯性問題中最難的問題類型之一。

萊斯利·蘭波特在其論文中描述了如下問題：

一組拜占庭將軍分別各率領(lǐng)一支軍隊共同圍困一座城市。為了簡化問題，將各支軍隊的行動策略限定為進攻或撤離兩種。因為部分軍隊進攻部分軍隊撤離可能會造成災(zāi)難性后果，因此各位將軍必須通過投票來達成一致策略，即所有軍隊一起進攻或所有軍隊一起撤離。因為各位將軍分處城市不同方向，他們只能通過信使互相聯(lián)系。在投票過程中每位將軍都將自己投票給進攻還是撤退的信息通過信使分別通知其他所有將軍，這樣一來每位將軍根據(jù)自己的投票和其他所有將軍送來的信息就可以知道共同的投票結(jié)果而決定行動策略。

但問題在于，將軍中可能出現(xiàn)叛徒，他們不僅可能向較為糟糕的策略投票，還可能選擇性地發(fā)送投票信息。假始那些忠誠（或是沒有出錯）的將軍仍然能通過多數(shù)決定來決定他們的戰(zhàn)略，便稱達到了拜占庭容錯。在此，票都會有一個默認值，若消息（票）沒有被收到，則使用此默認值來投票。

上述的故事映射到計算機系統(tǒng)里，將軍便成了計算機，而信差就是通信系統(tǒng)。雖然上述的問題涉及了電子化的決策支持與信息安全，卻沒辦法單純的用密碼學(xué)與數(shù)字簽名來解決。因為不正常的電壓仍可能影響整個加密過程，這不是密碼學(xué)與數(shù)字簽名算法在解決的問題。因此計算機就有可能將錯誤的結(jié)果提交去，亦可能導(dǎo)致錯誤的決策。

在分布式對等網(wǎng)絡(luò)中需要按照共同一致策略協(xié)作的成員計算機即為問題中的將軍，而各成員計算機賴以進行通訊的網(wǎng)絡(luò)鏈路即為信使。拜占庭將軍問題描述的就是某些成員計算機或網(wǎng)絡(luò)鏈路出現(xiàn)錯誤、甚至被蓄意破壞者控制的情況。

DSS猜想

不同于中心化的分布式系統(tǒng)，去中心化是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的一個核心特性。去中心化的系統(tǒng)中，為了保證數(shù)據(jù)可信，需要所有節(jié)點參與共識、避免被攻擊（如51%攻擊）、任何節(jié)點都要有能力驗證交易的合法性、所有交易要按順序執(zhí)行和驗證、所有節(jié)點都要保存所有的交易數(shù)據(jù)等。

在分布式系統(tǒng)中，可擴展性是指系統(tǒng)的總體性能隨著節(jié)點的增多而提升。在中心化的分布式系統(tǒng)設(shè)計中，可擴展性是的、最基本要求之一。對于中心化的系統(tǒng)，要保證可擴展性也是相對簡單的。

而去中心化的全量共識和存儲的要求，是難以擴展的。因為若要可擴展性，就不能要求節(jié)點執(zhí)行全量、全量存儲，而是要分散計算和存儲，每個節(jié)點只保存部分數(shù)據(jù)，即每個交易數(shù)據(jù)只存儲在少數(shù)節(jié)點中，但這樣一來，安全性就無法保證，因為攻擊者只要攻擊少數(shù)節(jié)點，即能控制區(qū)塊數(shù)據(jù)。例如數(shù)據(jù)分成100份保存在不同節(jié)點，那攻擊者只要實施1%攻擊，即能控制其中1份區(qū)塊數(shù)據(jù)，攻擊難度大大降低。

由于去中心化的要求，區(qū)塊鏈的分布式系統(tǒng)也有自身特有的理論，其中一個描述了去中心化與可擴展性之間的矛盾，它尚未被嚴格證明，只能被稱為猜想，但實際系統(tǒng)設(shè)計過程中卻能感覺到時時受其挑戰(zhàn)：

DSS猜想：去中心化（DecentralizaTIon），安全性（Security）和可擴展性（Scalability）這三個屬性，區(qū)塊鏈系統(tǒng)最多只能三選其二。

上圖演示了區(qū)塊鏈如何在這三個因素之間作選擇及對應(yīng)的策略：

若要滿足安全性與去中心化，則需要所有節(jié)點參與共識、計算、全量存儲，但由此帶來的問題是失去可擴展性，也就是系統(tǒng)的總體性能無法隨著節(jié)點的增多而提升；

若要滿足可擴展性與安全性，則需要中心化管理，需要保證參與共識的節(jié)點是可信的；

若要滿足可擴展性與去中心化，則采用分散存儲、計算的策略，不做全量共識，則攻擊網(wǎng)絡(luò)的難度降低，安全性難以保證。

盡管算法多種多樣，可以根據(jù)需要采用各種策略，但大家公認的理想的共識算法應(yīng)該滿足的條件包括：

1） 可終止性（Termination）：一致的結(jié)果在有限時間內(nèi)能完成；

2） 共識性（Consensus）：不同節(jié)點最終完成決策的結(jié)果應(yīng)該相同；

3） 合法性（Validity）：決策的結(jié)果必然是其它進程提出的提案。