区块链十年∣共识机制的发展历程

区块链的共识机制，已有无数的文章分析过了，本文的目的，不在于对各种共识机制的原理做多么深入的解读，而是主要从时间线角度，梳理比特币第一个十年间，共识机制的发展历程。

一、为何需要共识机制：维护一致性

区块链作为一个分布式账本，即意味着每一个节点都能够验证交易，而面对的对象当然应该是具有一致性的账本，才不会导致相互间的冲突，共识机制就是为了解决这个“一致性”的问题。

在区块链中，各节点发生的交易都将被记入这个账本，形式则是把新账记录打包成一个区块，该区块加上了时间戳，经过了加密，将被附加在最新的区块之后，以此形成一个链式数据结构。

这么一个数据账本，本身不提供去中心化，只有加入了去中心化的共识机制，这个系统才能做到去中心化。简单来说，就是在这个账本中，谁来记账就成为了一个问题，记账权的分配应该是去中心化的。共识机制就是为了解决这个记账权的问题而出现的。

说白了，共识机制就是一个群体决策的问题：一群人要如何做出对所有人都最有利的决定，而且这个决定要对所有人都公平。

可以拿选举、投票来作类比。比如英国脱欧，当时是采用了全民公投的方式进行，当同意脱欧的人数达到了一定比例，那么就选择脱欧。而在英国的议会，议员们代表着把自身选上来的选民的意志，他们作为代理人在议院行使表决权，做出对整个国家（整个社区）最有利的决定。区块链中，PoW机制即类似全民公投，DPoS就有点像代议制。

每种共识机制，都要设计好程序，使之能够把这套规则在区块链中运行下去。而作为一种设计，自然会有其优缺点，某个区块链采用哪种共识机制，是按照自己的理念，适应自身需要，在一开始就决定的。当然，一种共识机制，在最初可能难以预见后续会出现什么问题，其优缺点需要在时间中得到检验。例如比特币采用的PoW共识机制就具有耗能高与矿池导致算力中心化的缺陷，目前以太坊正打算从PoW共识机制换到PoS共识机制上来。

二、现在已提出的一些共识机制

目前为止，区块链共识机制已经发展多年，有了很多不同的种类，下面是一个对区块链很感兴趣的geek（极客）Hasib Anwar制作的现有的一些共识机制图表：

所有共识机制列表

Proof－of－Work 工作量证明

Proof－of－Stake 权益证明

Delegated Proof－of－Stake 委托权益证明

Leased Proof－Of－Stake 租用权益证明

Proof of Elapsed Time 过去时间证明

Practical Byzantine Fault Tolerance 实用拜占庭容错

Simplified Byzantine Fault Tolerance 简单拜占庭容错

Delegated Byzantine Fault Tolerance 委托拜占庭容错

Directed Acyclic Graphs 有向非循环图

Proof－of－Activity 活动量证明

Proof－of－Importance 重要性证明

Proof－of－Capacity 容量证明

Proof－of－Burn 燃烧证明

Proof－of－Weight 重量证明

（以上图表见Hasib Anwar的文章“Consensus Algorithms： The Root Of The Blockchain Technology”，智能比特翻译）

其中，工作量证明（PoW）是第一个区块链共识机制，比特币以及目前的以太坊都是采用了这一共识机制；权益证明（PoS）在2012年第一次被提出，并被应用在点点币、未来币等项目上；委托权益证明（DPoS）最著名的代表则是比特股（Bitshare）、EOS，这三者是目前公链应用最多的三种共识机制。在联盟链领域，Hyperledger Fabric 在 0．6 版中应用了PBFT，而在 1．0 版中放弃了PBFT，转而采用效率更高的Kafka，支持单点和集群两种方式，由 Kafka直接给交易排序和出块；中国的FISCO BCOS则支持并行计算的PBFT和标准RAFT两种方式。

除了Hasib Anwar图表中归纳的这些，还有一些也被视为共识机制，例如瑞波币的Ripple算法、基于交易的股权证明机制（TaPOS）等。还有一些，例如艾欧塔（IOTA），采用的是的DAG（有向无环图）数据结构，通过缠结（Tangle）的方式加入区块链，与区块链的链式数据结构是不同的，这也可以被当作一种共识机制。

共识机制可以被当作是一套算法，分布式系统都需要这样一套算法来保持一致性，区块链作为分布式系统的一个子集，也借用了分布式系统的一些用于达成共识的协议。比如Lamport设计的保持分布式系统一致性的协议Paxos，还有Stanford提出的RAFT协议，上面提到的联盟链FISCO BCOS 就采用了RAFT协议，此外微软主导的联盟链Coco 支持Paxos和 Caesar两种协议。

三、共识机制的发展之PoW－PoS－DPoS

2008年，中本聪在《比特币：一种点对点的电子现金系统》这篇论文中提出了比特币与区块链，其中PoW被应用于比特币上，来解决谁是大多数的问题。但是人们很快发现这种共识机制的问题，即消耗能源大，以及被大矿池把持算力之后，仍然会导致中心化的问题。

2011年，一个名为Quantum Mechanic的数字货币爱好者在Bitcointalk论坛提出Proof－of－Stake（POS）证明机制，该机制被充分讨论之后证明具有可行性。POW是比拼算力，而POS简单来说就是比拼谁手里的币多，手里币越多，获得记账资格的概率就越高。

2012年8月，密码货币极客Sunny King 发布Peercoin（点点币，PPC），它的挖矿方式采用了POW和POS结合的方式。点点币之后，又有新星币（Novacoin，NVC）、黑币（blackcoin，BLK）等采用POS。在这些币当中，黑币对点点币做了一些优化，发布了POS2．0白皮书，其中最重要的一点就是用余额（也就是该矿工手里有多少币）代替币龄。

2013年9月，一个名为BCNext的用户在Bitcointalk论坛发起一个帖子，宣布将发行一种全新的纯POS币种，后来取名为Nextcoin，简称NXT，即未来币。

2013年8月，BM的比特股（Bitshares）项目启动，并带来了一种新的共识机制：Delegated Proof－Of－Stake（DPoS），即股份授权股权证明。它有点像现代国家的代议制，但不是每个选区分配了多少代表席位，而是将持有一定数量代币的节点作为候选人，再由所有节点投票竞选，取得票数前101的当选为代表，由这些代表负责产生区块。代表们轮流产生区块，收益（交易手续费）平分。如果有代表不老实生产区块，很容易被其他代表和股东发现，他将立即被踢出“董事会”，空缺位置由票数排名102的代表自动填补。后来，BM的另一个项目EOS也采用了DPoS的共识机制，不过将原来的101个记账节点减少到了21个。

从POW到POS再到DPOS，可以说是公链共识机制发展的一条主线。这三种共识机制各有优劣，比如POW具有完整的数学证明，理论上来说最安全、实现相对简单，但它在能源消耗、出块时间、交易容量都有很大不足，而POS则有安全风险更大、选举节点时候网络流量压力很大以及“富者愈富，贫者愈贫”等问题，而DPOS缩小了选举节点数量减少了网络压力，但其去中心化程度值得怀疑。

从09年初开始算起，区块链与数字货币的第一个十年马上就要到来，在这个过程中，共识机制扮演的角色，几乎可以说是区块链的灵魂。而从上面粗略的整理来看，从事着区块链行业的人具有着无穷的创造力。共识机制已经出现了多次迭代，而其未来会走到哪一步，现在根本没有定论。