文章目录

05 共识问题：区块链如何确认记账权？
- 区块链的共识
- 拜占庭将军问题
- POW 工作量证明
- - 挖矿的由来
  - 比特币的 POW 实现
  - 区块链分叉和 51% 攻击
  - POW 机制优缺点
- 其他共识方法
- - POS 权益证明
  - DPOS 委托权益证明

05 共识问题：区块链如何确认记账权？

区块链可以说是最近几年最热的技术领域之一，区块链起源于中本聪的比特币，作为比特币的底层技术，本质上是一个去中心化的数据库，其特点是去中心化、公开透明，作为分布式账本技术，每个节点都可以参与数据库的记录。

区块链是一个注重安全和可信度胜过效率的一项技术，如果说互联网技术解决的是通讯问题，区块链技术解决的则是信任问题。

今天我们关注区块链中的核心问题：作为分布式账本，每个参与者都维护了一份数据，那么如何确认记账权，最终的账本以谁为准呢？

区块链的共识

区块链是一种去中心化的分布式账本系统，区块链的共识问题实际上是来源于分布式系统的一致性问题。

共识（Consensus）故名思义，共同的认识，共识问题研究的是多个成员如何达成一致，典型的比如投票选举。

共识机制在区块链中扮演着核心的地位，共识机制决定了谁有记账的权利，以及记账权利的选择过程和理由。不同的虚拟货币采用共识机制也不同，常见的共识机制有 POW、POS、DPOS等。

我们前面提到 CAP 中的 C 是 Consistency（一致性），Consistency 和 Consensus 有什么区别呢？

Consistency 侧重的是内容在时间顺序上的一致和统一，而 Consensus 则是指由许多参与者对某项内容达成共识，所以一般把 Consistency 翻译为“一致性”，把 Consensus 翻译为“共识”。

拜占庭将军问题

前面的课程中我们已经分享了几个经典的一致性算法，如果把共识机制延伸到分布式系统中，就是系统需要有一个主进程来协调，系统的所有决定都由主进程来达成一致性。

到了区块链中，由于区块链是一种去中心化的分布式系统，所以区块链中是没有类似于团队里的领导，以及分布式系统中的 master 角色，这样就需要有某种共识机制，以便保证系统一致性。

一般在网络通信中，把节点故障，也就是信道不可靠的情况称为“非拜占庭错误”，恶意响应，也就是系统被攻击，传递错误消息称为“拜占庭错误”。

为什么叫拜占庭错误呢？实际上是来自于一个故事模型：

拜占庭帝国就是中世纪的土耳其帝国，拥有巨大的财富，周围 10 个邻邦垂诞已久，但拜占庭高墙耸立，固若金汤，没有一个单独的邻邦能够成功入侵。任何单个邻邦入侵都会失败，同时也有可能自身被其他 9 个邻邦入侵。
拜占庭帝国防御能力如此之强，至少要有十个邻邦中的一半以上同时进攻，才有可能攻破。然而，如果其中的一个或者几个邻邦本身答应好一起进攻，但实际过程出现背叛，那么入侵者可能都会被歼灭。
于是每一方都小心行事，不敢轻易相信邻国，这就是拜占庭将军问题。

在拜占庭问题里，各邻国最重要的事情是：所有将军如何能过达成共识去攻打拜占庭帝国。拜占庭将军问题核心描述是军中可能有叛徒，却要保证进攻一致，由此引申到计算机领域，发展成了一种容错理论：

一群将军想要实现某一个目标，比如一致进攻或者一致撤退，单独行动是行不通的，必须合作，达成共识；由于叛徒的存在，将军们不知道应该如何达到一致。

其实，拜占庭将军问题（Byzantine Generals Problem）和我们前面提到的 Paxos 算法、逻辑时钟等，都是由 Leslie Lamport 提出的。

Lamport 可以说是分布式系统的奠基人之一，由于在分布式领域的一系列贡献，Lamport 获得了 2013 年的图灵奖。

在记账权的归属中，关键的是如何避免恶意共识的出现，也就是错误的记账，类似如何处理拜占庭将军中的叛徒。

比特币是区块链技术最广泛的应用，在比特币中如何决定记账权呢？答案就是 POW 机制，接下来我们分析 POW 工作量证明机制。

POW 工作量证明

PoW（Proof of Work，工作量证明）被认为是经过验证最安全的拜占庭解决机制，最早是用来防垃圾邮件的，典型的就是 Google 邮箱的反垃圾邮件系统。

PoW，就是大家熟悉的挖矿，通过数学运算，计算出一个满足规则的随机数，即获得本次记账权，发出本轮需要记录的数据，全网其它节点验证后一起存储。

一句话介绍：干的越多，获得越多。

Google 邮箱强制要求每一个给 Google 服务器发送邮件的发送者，必须先完成一定量的计算工作，造成一小段时间的延迟，比如延迟 1 秒，如果是正常的邮件发送，这个时间是可以接受；如果是广告邮件发送者，因为要进行大量的发送工作，这种无价值的计算是无法忍受的。

挖矿的由来

挖矿是比特币系统中一个形象化的表达，那么挖矿是怎么来的呢？

比特币挖矿是将一段时间内比特币系统中发生的交易进行确认，并记录在区块链上形成新区块的过程，由于需要竞争记账权，利用计算机去计算 Hash 数值，随机碰撞解题，这个过程就是挖矿。

换句话说，就是比特币系统出一道数学题，大家抢答最优解，挖矿就是记账的过程，矿工是记账员，区块链就是账本。

比特币的 POW 实现

比特币中的 POW 实现，是通过计算来猜测一个数值（Nonce），得以解决规定的 Hash 问题，下面是比特币的区块结构，可以看到区块头有个随机数字段，这个就是 Nonce 值：

中本聪在比特币系统中设置了一道题目，通过不断调节 Nonce 的值，来对区块头算 Hash，要求找到一个 Nonce 值，使得算出来的 Hash 值满足某个固定值。

具体的 Hash 方法一般是使用 SHA256 算法，你可以查看这个小工具来测试 https://tool.oschina.net/encrypt?type=2。

我们来简化一下计算过程，假设第 100 个区块给出的区块值是下列字符串，最早计算出该字符串的节点可以获得比特币：

f7684590e9c732fb3cf4bf0b8e0f5ea9511e8bbaacb589892634ae7938e5700c

由于 Hash 算法是一个不可以逆的算法，没法通过具体的 Hash 值倒推出原文，这样每个节点只能采用穷举的方法，也就是选择各种字符串，比如开始的 a、b、c、1、2、3、…，不断的尝试。

比特币系统自身会调节难度，控制解题的时间，一般来讲，约每 10 分钟挖出一个区块，在这 10 分钟内，计算机只能不停地去计算，去试各种字符串。

这个过程实际上是考验各个节点的服务器性能，也就是算力。如果你算力非常强大，有几万台服务器，可以很快得到 Nonce 值，也就是正确答案：lagou，对应 Hash 值和题目要求一致。

接下来你就可以把这个 Nonce 值放在结构体里，通过 P2P 网络广播出去，其他的系统节点收到后，发现这个 Nonce 值是合法的，能满足要求，会认为你挖矿成功。

由于解出了题目，你会获得系统对应的比特币奖励，以及本区块内所有交易产生的手续费。其他节点发现有人已经算出来了，就会放弃本次计算，然后开启下一个区块的题目，去寻找下一个区块头的 Nonce 值。

作为落地的最大区块链系统，比特币的区块信息一直在动态生成。下面这张截图记录了比特币最近的区块信息，区块信息来自 https://www.blockchain.com/，你也可以点击链接查看最新的区块高度。

区块链分叉和 51% 攻击

Hash 问题具有不可逆的特点，主要依靠暴力计算，谁的算力多，谁最先解决问题的概率就越大。当掌握超过全网一半算力时，就能控制网络中链的走向，这也是所谓 51% 攻击的由来。

前面我们说过，因为区块链中每个节点都可以参与记账，系统中可能出现链的分叉（Fork），最终会有一条链成为最长的链。

但是在现实社会中，牵扯到参与各方巨大的利益关系，算力之间的博弈往往并没有那么简单，以比特币为例，已经分裂出了 BCH（比特币现金）、BTG（比特币黄金）等分叉币。

POW 机制优缺点

POW 的优点有很多，POW 是第一个完全实现去中心化共识算法的，并且节点自由进出，容易实现，由于对算力的高要求，破坏系统花费的成本也巨大。

POW 机制的缺点也是显而易见的，最大的就是浪费能源，巨大的算力被浪费在了无尽的挖矿行为中，并且本身并不产生任何价值。

这也是区块链被很多人指责的一点，浪费了大量的能源，收获的仅仅是一堆无价值的数据存储，换个角度来思考，这也说明了在去中心化的场景下，实现信任是多么的困难。

另一方面也可以看到，大量的数字货币矿场都是建设在西南地区的深山中，利用当地价格低廉的电力资源，或者就直接和发电站建设在一起。

其他共识方法

除了 POW 机制，还有其他的共识方法，典型的就是 POS 和 DPOS 等。

POS 权益证明

POS（Proof of Stake，权益证明）类似现实生活中的股东大会机制，拥有股份越多的人拥有越多的投票权，也就越容易获取记账权。
POS 是通过保证金来对赌一个合法的块成为新的区块，收益为抵押资本的利息和交易服务费。提供证明的保证金越多，则获得记账权的概率就越大，合法记账者可以获得收益。著名的数字货币 ETH（以太坊），就在共识算法中采用了 POS 机制。

DPOS 委托权益证明

采用 DPOS（Delegated Proof of Stake，委托权益证明）机制的典型代表是 EOS，如果说 POS 类似股东大会，比较的是谁持有的股份多，那么 DPOS 类似于公司董事会制度，在 DPOS 共识制度下，会选出一定数量的代表，来负责生产区块。