什麼是共識機制?

共識機制(Consensus Mechanism)是指取得或達成共識的機制。 從字面意義上理解,共識機制由共識和機制兩部分組成。 共識即共同的認識,是指不同階層、不同利益的人尋求的共同認識、價值、理想。 通俗來講,共識即指不同的個體就一個事務或觀點達成一致意見。 譬如,A和B都認為比特幣是數位黃金,那麼也可以說“比特幣是數位黃金”是A和B的共識。 機制即一種協定或規則,本質上是一種操作方法。 在上述例子中,機制即表現為A和B認為比特幣是數位黃金的認定方法。 譬如,A和B認為比特幣滿足稀缺性和價值儲存特性所以是數位黃金,這裡的滿足稀缺性和價值儲存特性就是認定方法。 綜上而言,共識機制即指不同的個體為達成共識而採取的特定規則。

共識機制並非區塊鏈領域所特有的概念,譬如“少數服從多數”原則其實就是一種最為常見的共識機制。 但這一概念的確是隨著區塊鏈科技的發展而廣為人知,現如今被提起也多指代不同區塊鏈系統所採取的不同的記帳模式,或者說是各區塊節點為達成準確記帳而採取的特定規則,具體表現為各區塊鏈系統所採取的不同算灋及協定。

 

共識機制的目標

區塊鏈的本質是去中心化,而去中心化的覈心是共識機制,囙此,共識機制也常被稱為區塊鏈的靈魂。 不同的區塊鏈,其共識機制的目標都是:在沒有中心化機构控制的情况下,在互相沒有信任基礎的個體之間如何建立信任關係。 本質上就是解决分佈式帳本如何記帳的問題,具體體現在:誰來記帳(記帳權的問題)、如何準確記帳、如何保證帳本資訊一致性等方面。

 

常見共識機制類型

1.工作量證明(PoW,Proof of Work)

工作量證明是指按照節點的工作量來確定記帳權,通俗理解即為按勞分配。 生成區塊的過程中,系統中所有節點需執行計算,類似算出一道數學題,最先得出答案的節點即可成為區塊生產者,獲得記帳權和對應的區塊獎勵。 代表區塊鏈:比特幣。

該共識機制的優點在於:算灋簡單、容易實現、節點可自由進入、去中心化程度高; 同時,破壞系統需要投入極大的成本,系統安全性高。 其缺點在於:為保證去中心化程度,區塊確認時間難以縮短; 沒有最終性,需要檢查點機制來彌補; 能源損耗大和礦機硬體浪費。

2.權益證明(PoS,Proof of Stake)

權益證明是指由系統權益代替算力確定記帳權,擁有的權益越大,獲得記帳權的概率也就越大,通俗理解即為按財分配。 最早實踐PoS機制的區塊鏈為Peercoin,其將區塊記帳權與幣齡掛鉤,幣齡越長,挖礦的難度越低。

該共識機制的優點是在一定程度上縮短了共識達成的時間,提高了系統效率,同時不需要消耗大量的能源。 其缺點在於實現規則複雜,系統的安全性更多地依賴人性,容易產生安全性問題。

3.委託權益證明(DPoS,Delegated Proof of Stake)

委託權益證明是在PoS共識機制的基礎上發展而來的,主要工作原理是由節點選舉出若干代理人進行記帳,類似於董事會投票,持幣者投票選出一定數量的節點進行代理記帳。 代表區塊鏈:EOS。

該機制的優點在於大幅縮小參與驗證和記帳節點的數量,大大提升共識達成的速率。 其缺點在於整個共識機制依賴於代幣,在中心化和安全性能的表現上與PoS機制存在相似的情况。

4.提名權益證明(NPoS,Nominated Proof of Stake)

提名權益證明也是基於PoS共識算灋改進的一種機制。 在該共識機制中存在提名人和驗證人兩種角色,持幣者可以質押自己的代幣,並選擇信任的驗證人運行節點和生成區塊,隨後分享驗證人的收益。 該機制混合BABE和GRANDPA算灋進行區塊生產和確認。 代表區塊鏈為Polkadot。

該機制的優點是在提升區塊生產及確認速度的基礎上並沒有遺失系統安全性,其將區塊生產和確認過程分開並使用不同的算灋也是其創新之舉。

5.有向無環圖(DAG,Directed acyclic graph)

有向無環圖機制通過改變區塊的鏈式存儲結構,並採用DAG的拓撲結構進行區塊存儲,最初主要為解决區塊鏈效率問題。 在區塊打包時間不變的情况下,系統可並行打包N個區塊,網絡交易速率即可得到極大提升。 此後,DAG提出了無區塊概念,大大加快了系統交易速率。

該機制優點在於交易速度快,無需挖礦,手續費較低; 其缺點在於網絡規模不大,去中心化程度和安全性不高。

6.實用拜占庭容錯機制(PBFT,Practical Byzantine Fault Tolerance)

實用拜占庭容錯機制在保證活性和安全性的前提下提供了(n-1) /3的容錯性。該機制是應對在區塊鏈網路環境包括運行正常的服務器、故障的服務器和破壞者的服務器情况下,如何在正常的節點間形成網絡狀態共識的一種管道。通俗理解來說,即當存在N個無效節點時,只要保證總節點數超過3N個,記帳的準確性就能得到保證。

該機制的優點在於系統運轉可以脫離幣的存在,同時共識效率高、可滿足高頻交易需求。其缺點是當有三分之一或以上記帳人停止工作,系統將無法提供服務、其去中心化程度也不是很高。

 

評判共識機制效能的維度

1.安全性。是否可以防止雙重支付、自私挖礦等攻擊,是否有良好的容錯能力。

2.擴展性。是否支持網絡節點擴展,以及應對節點數量及交易數量新增情况下的系統負載能力。

3.效能效率。網絡共識達成到區塊最終確認所花費的時間,也可以理解為系統每秒可處理的交易數量。

4.資源消耗。網絡達成共識的過程中所需要消耗的資源,如硬體設備、系統計算能力等。