前言：本文簡單明了地闡述了達成共識的兩個主要流程：區(qū)塊的提議和區(qū)塊的共識達成。區(qū)塊的提議主要涉及到PoW和PoS機制，也就是工作量證明和權(quán)益證明的機制，用以抵抗女巫攻擊，安全地選出可靠的區(qū)塊提議者。區(qū)塊的共識達成則涉及到共識算法，主要包括中本聰共識和經(jīng)典共識。中本聰共識采用最長鏈規(guī)則，經(jīng)典共識則可實現(xiàn)最終性。每種共識算法都有自己的權(quán)衡取舍。

區(qū)塊鏈共識是2017年和2018年最廣為討論的區(qū)塊鏈子領(lǐng)域之一。可以看到，很多公司試圖從零開始構(gòu)建新的智能合約平臺，并與以太坊競爭，而其中的一個差異化或創(chuàng)新點就在區(qū)塊鏈的共識算法方面。試圖理解這些算法，并能對它們進行批判性比較，這對很多加密投資者來說，都是一項全職工作，毫無疑問，要掌握它們并不簡單。

為揭開這些“共識算法”的神秘面紗，不少人做了很多工作。但是，對于普通人來說，它們太過于技術(shù)化。一些概念，例如同步、安全/活性證明、不可能結(jié)果，這些有助于人們通局了解。不過，在我看來，對于大多數(shù)人來說，完全理解并不特別重要。

本文重點是區(qū)塊鏈的共識算法，而沒有提及更大的也是超級復(fù)雜的分布式系統(tǒng)領(lǐng)域。為了簡單易懂，還會放棄一些技術(shù)概念。

本文結(jié)束時，你應(yīng)該理解PoW和PoS的區(qū)別，了解BFT的意思，最重要的是，當(dāng)考慮在哪個區(qū)塊鏈上構(gòu)建你的應(yīng)用時，你應(yīng)該知道它們的權(quán)衡是什么。

什么是共識？為什么很重要？

簡單來說，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N公共數(shù)據(jù)庫，其中用戶就什么是正確的達成一致。比特幣是記錄所有交易的公共數(shù)據(jù)庫，保留了貨幣系統(tǒng)的完整性。有兩個主要問題需要理解：

1.就什么達成共識？

2.如何達成共識？

我們需要有人提議，然后讓其他人選擇，直到達成某種形式的共識。就區(qū)塊鏈的情況，我們需要有人提議區(qū)塊，然后需要剩余節(jié)點接受區(qū)塊。

一個簡單的例子如下：

4個人嘗試并安排共同的時間來做事。每個人提出其可用時間（空白格）?？梢钥吹?，有兩個共同可用的時間段，下午2點和6點。他們?nèi)绾芜_成共識？在他們提出可用時間前，他們同意一個特定規(guī)則：每個人必須選擇最早的共同可用時間。在這種規(guī)則下，這意味著，他們將會在下午2點而不是下午6點見面。由此，他們達成了共識。

按照這種框架，我們將它類比擴展到比特幣區(qū)塊鏈：

人們就什么達成共識？

人們就區(qū)塊數(shù)據(jù)達成共識。區(qū)塊中包含有效的比特幣交易。在比特幣中，任何人都可以提議區(qū)塊，只要他們率先解決一個計算謎題（PoW）。

人們?nèi)绾芜_成共識？

人們同意接受最長鏈上的區(qū)塊。例如，如果鏈A的高度為100，而鏈B的高度為200，如果你收到鏈A上的區(qū)塊101和鏈B上的區(qū)塊201，你必須接受區(qū)塊201。有人在更短的鏈上添加區(qū)塊，可能是因為他們沒有意識到更長的鏈，但“最長鏈規(guī)則”確保一旦區(qū)塊在整個網(wǎng)絡(luò)中傳播，每個人最終就相同的事情達成共識。

該框架支持所有共識算法。不同算法可以采用不同的方法來提議區(qū)塊，也可以使用不同的方式來對區(qū)塊達成共識。

提議區(qū)塊

考慮區(qū)塊提議時，最大的問題是誰來提議區(qū)塊。如果任何人隨時都可以提議區(qū)塊，會很難達成共識，因為這類似于人們不停地相互交談。必須以某種方式選出代表，這樣剩余的人可以一次看到一個提議。

最幼稚的方式是讓協(xié)議隨機選擇一個人來提議新區(qū)塊。然而，在互聯(lián)網(wǎng)上，一個人可以通過運行相同程序的一百個實例來偽裝成一百個人。因此，我們需要創(chuàng)造某種形式的稀缺性，以抵抗女巫攻擊。（藍狐筆記注：女巫攻擊主要是指網(wǎng)絡(luò)中的少數(shù)節(jié)點控制多個虛假身份，并利用這些身份控制網(wǎng)絡(luò)中大量正常節(jié)點的攻擊方式。）。

因此，這個游戲必須能夠抵擋單一黑客操縱很多人的攻擊。這正是PoW和PoS給你帶來的：一種讓計算機受到某些資源限制的方式。（藍狐筆記注：也就是說，通過設(shè)立門檻，比如PoW的算力投入和PoS的代幣投入，通過競爭性的方式，解決了誰有資格提議區(qū)塊并由此獲得獎勵的問題。）

PoW如下：為獲得提議區(qū)塊的權(quán)利，你必須率先完成計算密集型的任務(wù)。模擬一個虛擬的計算機拋硬幣任務(wù)，直到它得到連續(xù)100次的虛擬硬幣的正面。這是計算密集型的，沒有人能偽裝成一百人，因為這受制于其算力。

然而，通過采用這種“抗女巫攻擊”機制，人們已經(jīng)建立了數(shù)千臺計算機組成的礦場，以便在算力競爭中勝出，從而獲得提議區(qū)塊的權(quán)利。這些服務(wù)器礦場消耗巨量電力，因此它們集中于可獲得最便宜電力的國家或地區(qū)。

那么，當(dāng)大多數(shù)比特幣礦工位于中國時，這對于去中心化意味著什么？這種地理上的中心化給系統(tǒng)的長久性構(gòu)成了真正的威脅，因為這些挖礦公司很容易被監(jiān)管。

PoS采用了跟PoW完成不同的“抗女巫攻擊”機制。既然要花錢購買比特幣挖礦計算機和購買電力，那么，為什么不只是用錢來選擇區(qū)塊生產(chǎn)者并將計算密集型過程跳過呢？PoS是這樣的想法：基于人們在系統(tǒng)中質(zhì)押的錢多少來選擇區(qū)塊提議者，也就是人們在系統(tǒng)中擁有的代幣的比例。

在PoW中，擁有算力越多，被選為提議下個區(qū)塊的概率就越高。在PoS中，擁有的代幣越多，成為區(qū)塊生產(chǎn)者的概率就越高。

請注意，還沒有開始談?wù)撊绾尉蛥^(qū)塊達成共識。有一種常見的誤解，認為PoW和PoS是共識算法。其實它們不是。它們只是通過約束稀缺資源的方式來選擇區(qū)塊生產(chǎn)者。

區(qū)塊共識

這是事情變得有趣的地方，也是近年來大部分創(chuàng)新發(fā)生的地方。一旦有人提議區(qū)塊，我們?nèi)绾芜_成共識？這是從上個世紀(jì)80年代以來計算機科學(xué)家們一直試圖解決的問題，以在一些計算機偶爾發(fā)生崩潰時，其計算機集群也能同步。到了上世紀(jì)90年代，這些計算機科學(xué)家開始思考一個更難的問題：如果黑客可以控制其中的一些計算機呢？（藍狐筆記注：這兩個問題的區(qū)別在于，一個只是計算機部分崩潰，另一個是計算機沒有崩潰，而被惡意控制。）

他們能否構(gòu)建足夠強健的系統(tǒng)，以確保所有非惡意的計算機依然能夠達成共識？這一特性被稱為“拜占庭容錯”（BFT），它是基于拜占庭將軍問題而來。BFT系統(tǒng)是一個相當(dāng)小的研究課題，因為大多數(shù)系統(tǒng)并不需要這種級別的穩(wěn)健性，因為大多數(shù)計算機集群通常都屬于單一公司。直到區(qū)塊鏈的到來，才改變了這一局面。

在區(qū)塊鏈中，任何人都可以運行節(jié)點（集群中的計算機），并且可以向其他節(jié)點發(fā)送信息或數(shù)據(jù)。這是一個真正對抗性的環(huán)境，因為惡意行為者可以假裝為誠實節(jié)點。例如，如果集群中的10個惡意計算機向其他9個計算機發(fā)送沖突信息，該怎么辦？

由于誠實計算機無法區(qū)分惡意和非惡意的計算機，這個問題變得非常棘手。解決這個問題有兩種主要方法：中本聰共識和經(jīng)典共識。

中本聰共識

中本聰共識用于比特幣和大多數(shù)PoW系統(tǒng)中，由中本聰開創(chuàng)。它有一條單一規(guī)則：“當(dāng)你看到提議的區(qū)塊擁有最多工作量證明，就接受它?！蓖ǔ碚f，具有最高編號的區(qū)塊擁有最多工作量證明。（藍狐筆記注：也就是比特幣的最長鏈規(guī)則，這是一種概率性的確認，確認的區(qū)塊深度越長，交易越難被逆轉(zhuǎn)。）

這意味著，對于你看到的區(qū)塊是否“正確”，你永遠沒有100%的確定。例如，如果你看到的最高區(qū)塊編號是99，你可以在區(qū)塊編號100接收到區(qū)塊A，因此你接受了。

突然，你在區(qū)塊編號103收到區(qū)塊B，而它在區(qū)塊編號100有不同的區(qū)塊。根據(jù)共識規(guī)則，你需要“反轉(zhuǎn)”之前接受的區(qū)塊A，轉(zhuǎn)而接受新的區(qū)塊歷史。

在這個系統(tǒng)中，超過系統(tǒng)算力50%的攻擊者將能夠持續(xù)構(gòu)建最長鏈，因此，可以創(chuàng)建他們想要的任何區(qū)塊。通過這個例子，我們可以看到這些規(guī)則有助于人們就哪一條鏈?zhǔn)强山邮艿逆溸_成一致。

經(jīng)典共識

在中本聰共識2009年發(fā)明之前，計算機科學(xué)家對此問題有不同的解決方案，這問題有不同的特性。第一個拜占庭容錯共識算法稱為實用拜占庭容錯算法（PBFT）。它的工作原理是：讓一組參與者進行多輪投票，直到一定比例的投票者達成共識。

基于PoS之類的機制，選擇某人提議區(qū)塊。他將區(qū)塊發(fā)送給其他已知的參與者。由其他參與者進行投票。

由于大多數(shù)參與者都對區(qū)塊投贊成票，系統(tǒng)中的每個人都將接受該區(qū)塊作為正確區(qū)塊。使用這種類型的共識，須有一組已知的投票者，但一旦他們投票通過，區(qū)塊就有了最終性。因此，就不存在區(qū)塊回滾的事情。如果存在爭議，那么系統(tǒng)會停止。（藍狐筆記注：經(jīng)典共識的最終確定性，與中本聰共識的概率性形成鮮明對比。）

PBFT算法已經(jīng)被用在區(qū)塊鏈上，區(qū)塊鏈中迄今為止，最突出的BFT算法是Tendermint Core。Tendermint Core是區(qū)塊鏈上第一個不使用中本聰共識的共識算法，而是基于20多年的計算機科學(xué)研究基礎(chǔ)上。

BFT算法的主要局限是它們通常僅限于一小部分投票者，因為所有投票者都需要事先知道。讓10萬人不斷地與其他人溝通以達成共識是極其困難的事情。到目前為止，Cosmos已經(jīng)運行了可能是最大的公共BFT系統(tǒng)之一，他們的Game of Stakes測試網(wǎng)有超過200+的驗證者參與。（藍狐筆記注：Harmony的驗證者已經(jīng)超過了200+。）

中本聰共識有其他變種，例如GHOST（新評分算法，不僅僅是最長鏈），也有其他BFT共識的變種，例如Casper-BFT和Thunderella。

這些共識算法變種的主要區(qū)別實際上只是其區(qū)塊提議方式的不同或參與共識的溝通人數(shù)不同而已。大多數(shù)情況下，在一個算法系列中，它們之間有類似的權(quán)衡。還有一些新的共識形式，例如Avalanche，它們不屬于任何一個系列。

如何選擇共識算法？

根據(jù)你想構(gòu)建的應(yīng)用類型，下面是選擇哪種共識算法的指南問題，由此也會涉及到選擇何種智能合約平臺。

1.你要構(gòu)建的應(yīng)用對最終性的急需程度？

對于一些應(yīng)用來說，最終性非常重要，而另外一些應(yīng)用，則不那么重要。如果你構(gòu)建的是用于微支付的新型支付系統(tǒng)，交易可以逆轉(zhuǎn)并不是世界的末日。類似地，如果你構(gòu)建的是去中心化的社交網(wǎng)絡(luò)，100%保證狀態(tài)更新立即完成并非是一個特別重要的特性。相反，如果你構(gòu)建的是去中心化的交易所，最終性是用戶體驗中至關(guān)重要的部分。讓交易逆轉(zhuǎn)比不發(fā)生交易還要糟糕。作為參考，比特幣的最終性大約是1小時左右（藍狐筆記注：比特幣6個區(qū)塊確認完成，基本上可以確認交易完成，但這也不是100%的最終性，不過在6個區(qū)塊確認之后，要逆轉(zhuǎn)交易的難度非常之大。）以太坊的最終性大約6分鐘左右，而Tendermint Core有1秒的最終性。

2.你要構(gòu)建的應(yīng)用所需的快速程度？

如果你構(gòu)建的是游戲應(yīng)用，每個動作前需要等待15秒鐘（甚至更長時間）是否合理？由于以太坊的區(qū)塊時間，基于以太坊區(qū)塊鏈構(gòu)建的游戲用戶體驗糟糕，因為它的吞吐量太低。然而，一個轉(zhuǎn)讓房屋證書所有權(quán)的應(yīng)用可能非常適合在以太坊上運行。使用Cosmos SDK構(gòu)建應(yīng)用，允許開發(fā)者使用現(xiàn)成的Tendermint Core，它有更短的區(qū)塊時間和高吞吐量，每秒最高可以達到10，000筆交易。你可以通過為你的應(yīng)用設(shè)置更少的驗證者數(shù)來實現(xiàn)這一目的，因為可以減少通信開銷，提高應(yīng)用處理速度。

3.你要構(gòu)建的應(yīng)用所需的“去中心化”程度？

一些應(yīng)用，比如游戲，可能并不需要顯著的抗審查特性，這只是去中心化的副產(chǎn)品。在理論上，驗證者可以創(chuàng)建卡特爾以及在游戲中實現(xiàn)區(qū)塊/逆轉(zhuǎn)交易以獲取利潤，這些在應(yīng)用中真的重要嗎？如果它不那么重要，類似于EOS的區(qū)塊鏈可能適合你的應(yīng)用場景，因為它有更快的交易速度且無需費用。

然而，有的應(yīng)用，比如自治銀行，它對去中心化要求很高。盡管以太坊被認為是去中心化的，但有些支持者聲稱，以太坊礦池的集中也是其中心化趨勢一個重要體現(xiàn)，事實上，它只有11個驗證者（礦池）。

構(gòu)建自己的區(qū)塊鏈而不是基于其他智能合約平臺來構(gòu)建應(yīng)用的一大好處是，你可以為自己應(yīng)用定制驗證方式。然而，構(gòu)建自己的區(qū)塊鏈非常困難，因此，從這方面來說，使用Cosmos SDK非常有用，可以輕松構(gòu)建自己的區(qū)塊鏈，并自定義應(yīng)用所需的去中心化程度。

4.如果系統(tǒng)停止是否可以接受？

如果你構(gòu)建的是類似于去中心化的共享騎行應(yīng)用，那么，確保服務(wù)全天候運行可能是最高優(yōu)先級的，即使出現(xiàn)一些偶然的錯誤，例如交易被逆轉(zhuǎn)。

Tendermint Core的一個屬性是，如果網(wǎng)絡(luò)驗證者之間存在分歧，網(wǎng)絡(luò)將選擇停止，而不是進行不正確的交易。一些應(yīng)用，例如去中心化的交易所應(yīng)用，需要不惜一切代價確保正確性。如果存在問題，可以暫停去中心化交易，而不是進行可逆轉(zhuǎn)的交易。

結(jié)論

不存在單個“最好”的共識算法。每個算法都有它自己的權(quán)衡取舍。但是，通過理解共識流程（提議和達成共識），并建立一個框架來思考你的應(yīng)用可能需要何種共識算法，能有助于你在選擇區(qū)塊鏈時，做出更明智的決策。當(dāng)然，還有其他因素需要考慮，例如開發(fā)者工具、社區(qū)等。

總的來說，PoW和PoS并不是共識算法。它們是“抗女巫攻擊”的機制，可以幫助挑選區(qū)塊提議者。

兩種主要的共識家庭是中本聰共識和經(jīng)典共識。這些算法用于就區(qū)塊鏈中的區(qū)塊達成共識。每種共識算法都有自己的權(quán)衡取舍。根據(jù)應(yīng)用的場景來選擇共識算法和智能合約平臺。要考慮的因素：

l 最終性

l 速度

l 去中心化程度

l 活性