中本聰在2009年1月3日于赫爾辛基的某服務(wù)器挖出了比特幣。我認(rèn)為，比特幣最為神奇之處即在于其共識(shí)機(jī)制，因?yàn)楣沧R(shí)的存在，人類可以完成大規(guī)模的協(xié)作，取得超越個(gè)人的成果和影響力。
分布式系統(tǒng)或者說(shuō)P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，可以用一盤散沙來(lái)形容，在這種節(jié)點(diǎn)非常分散的情況下極需解決信息傳遞過(guò)程中的可信性問(wèn)題。如何判定他人發(fā)給我的信息，是真實(shí)準(zhǔn)確的信息，而非某個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)篡改過(guò)的信息？如何保障輸入的信息與輸出的結(jié)果是相匹配的，這是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域存在多年的問(wèn)題，也即”拜占庭將軍問(wèn)題“。
為了解決“拜占庭將軍問(wèn)題”，各種共識(shí)機(jī)制應(yīng)運(yùn)而生：
選擇不同的共識(shí)算法，會(huì)對(duì)區(qū)塊鏈上應(yīng)用有較大的影響。不同的區(qū)塊鏈技術(shù)，一般會(huì)選擇不同的共識(shí)機(jī)制，這跟區(qū)塊鏈技術(shù)本身的價(jià)值主張也有關(guān)系。有的區(qū)塊鏈應(yīng)用可能就是要做公有鏈，面向公開網(wǎng)絡(luò)；有的區(qū)塊鏈應(yīng)用做的是聯(lián)盟鏈，有限節(jié)點(diǎn)，追求高性能、高吞吐量，它們選用的共識(shí)算法一定是不同的。讓我們先從最為基礎(chǔ)的共識(shí)機(jī)制說(shuō)起：
一、POW
POW是最早的共識(shí)機(jī)制，其代表當(dāng)然是比特幣。我想中本聰設(shè)計(jì)POW的初衷，肯定是希望每個(gè)人都有平等獲得比特幣的權(quán)利，完成的最大限度的民主和去中心化，雖然其中依據(jù)人性的逐利性設(shè)計(jì)了挖礦和記賬的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，但是他也遠(yuǎn)遠(yuǎn)未曾想到，水能載舟亦能覆舟，逐利的本性一旦被激發(fā)，將一發(fā)不可收拾，為了獲得更大的收益，人們開始建立日趨中心化的礦池、礦場(chǎng)采取聯(lián)合挖礦的方式來(lái)獲取收益，某種程度上背離了比特幣的初衷。另外，中心化的礦場(chǎng)也意味著更加容易受到監(jiān)管者和政府機(jī)構(gòu)的控制。
POW的工作原理我覺得說(shuō)的最為清楚的一個(gè)人是湯強(qiáng)，無(wú)私推薦兩篇他的文章：
概念和名詞這種東西，就是越少越好，越簡(jiǎn)單越好。否則，無(wú)端的增加認(rèn)知門檻。
挖礦，我的理解就是幫助比特幣網(wǎng)絡(luò)記錄數(shù)據(jù)的動(dòng)作；礦機(jī)的發(fā)展歷史經(jīng)歷了CPU/GPU/ASIC芯片時(shí)代。這一系列的迭代，無(wú)非是為了更加高效地挖出比特幣。
CPU（中央處理單元）是計(jì)算機(jī)的主要執(zhí)行器件，根據(jù)程序代碼來(lái)控制其他所有元件的運(yùn)作，CPU能進(jìn)行所有種類的數(shù)學(xué)運(yùn)算，同樣非常適于快速的任務(wù)切換與邏輯判斷。
最初中本聰?shù)臉?gòu)想是一CPU一算力，因?yàn)閭€(gè)人電腦的普及，絕大多數(shù)人都可以參與到挖礦的行列中，幫助維護(hù)一個(gè)共同的賬本。
GPU（圖形處理單元）是計(jì)算機(jī)視頻渲染系統(tǒng)的一部分。GPU類似于勞工，GPU雖然也能做數(shù)學(xué)運(yùn)算，但是它最主要的設(shè)計(jì)用途是進(jìn)行視覺圖形處理而不是執(zhí)行者的角色。圖形處理是大量的重復(fù)任務(wù)，因?yàn)樗话才艑?duì)屏幕上大量的像素進(jìn)行處理，為了更有效率的運(yùn)算，圖形處理器的巨大優(yōu)勢(shì)在于執(zhí)行大量重復(fù)勞動(dòng)，而不是快速的任務(wù)切換。
一個(gè)形象的比喻是CPU如同一小組快速執(zhí)行任務(wù)的精兵良將，GPU如同一大群相對(duì)遲緩的笨人，他們單個(gè)看上去并不那么精干快捷，但是被訓(xùn)練去做大量的重復(fù)勞動(dòng)，而在整體的角度上可能就會(huì)更有效率。
后來(lái)人們還是不滿足于GPU的算力，開始投入更多的人力、物力、財(cái)力，投入到一場(chǎng)”軍備競(jìng)賽“中。ASIC芯片上場(chǎng)了，它是一種為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路。相當(dāng)于一支訓(xùn)練精良的特種部隊(duì)，每個(gè)環(huán)節(jié)都經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)，只為追求最大的產(chǎn)出效能。
這場(chǎng)”軍備競(jìng)賽“到底是為了什么？天下熙熙皆為利來(lái)，挖礦的回報(bào)又是什么呢？
挖礦收益，分為兩種類型：
- 區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)
區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)，是指對(duì)礦工記錄一個(gè)新區(qū)塊的獎(jiǎng)勵(lì)。只有實(shí)際記賬的礦工才能獲得獎(jiǎng)勵(lì)，但是誰(shuí)有記賬權(quán)呢？
這要根據(jù)算力而定，計(jì)算能力越強(qiáng)，越有機(jī)會(huì)在十分鐘一次的“相撲”比賽中拔得頭籌，獲得記賬權(quán)。每挖21萬(wàn)個(gè)區(qū)塊（約4年）后獎(jiǎng)勵(lì)減半，從2009年的創(chuàng)世區(qū)塊到今天，區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)已經(jīng)從50個(gè)降到12.5個(gè)（2013年第一次減半，2017年第二次減半）。
- 記賬手續(xù)費(fèi)
針對(duì)現(xiàn)已存在的比特幣，其每一筆交易，都需要消耗一定數(shù)量的比特幣作為GAS(燃料費(fèi))，這筆燃料費(fèi)就是發(fā)給礦工的小費(fèi)，感謝他們辛勤的勞作，維護(hù)賬本。
每一種共識(shí)機(jī)制的產(chǎn)生都有其特定的歷史環(huán)境和特定的需求，POW是共識(shí)機(jī)制的鼻祖，在2008年全球金融危機(jī)的背景下應(yīng)運(yùn)而生，致力于解決中央銀行不可避免地濫用權(quán)力，造成法幣超發(fā)，和通貨膨脹的問(wèn)題。但是歷經(jīng)九年的發(fā)展，我們也看到了POW機(jī)制下的弊?。?/p>
- 需要消耗大量的電能
摩根士丹利分析師此前在報(bào)告中表示，虛擬貨幣挖礦在2018年可能會(huì)消耗140太瓦時(shí)的電力，約占全球電力需求的0.6%?？雌饋?lái)可能不是很多，但這意味著比特幣挖礦所使用的電量已經(jīng)超過(guò)了世界上至少159個(gè)國(guó)家的年度用電了。
中國(guó)曾占全網(wǎng)算力資源的80%，很大一部分原因在于，中國(guó)擁有價(jià)格低廉的電力資源，甚至早年間一些礦場(chǎng)會(huì)偷電來(lái)挖礦。國(guó)內(nèi)的礦場(chǎng)，大多分布在新疆、內(nèi)蒙、山西、四川一帶，那里有價(jià)格低廉的火電和水電。隨著國(guó)家監(jiān)管的趨緊，國(guó)內(nèi)大量礦工遠(yuǎn)走他鄉(xiāng)，開始在加拿大、冰島、俄羅斯等地開始設(shè)立礦場(chǎng)。
- 處理效率
現(xiàn)在鏈圈的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)總是大呼TPS，TPS到底是什么？
TPS也稱—— Transaction Per Second，每秒事務(wù)處理量，假如TPS每秒并發(fā)太低，很容易造成網(wǎng)絡(luò)擁堵嚴(yán)重，從而使得區(qū)塊鏈在高價(jià)值的高并發(fā)業(yè)務(wù)領(lǐng)域無(wú)法落地。
比特幣的TPS=7，也就是每秒鐘只能處理7筆交易。另外，比特幣是每十分鐘生成一個(gè)區(qū)塊，也就是一次轉(zhuǎn)帳的確認(rèn)時(shí)間要花十分鐘。而一般連續(xù)生成 6 個(gè)區(qū)塊，也就是大概 1 個(gè)小時(shí)的時(shí)間，我們才認(rèn)為你的這次轉(zhuǎn)賬已經(jīng)在鏈上比較穩(wěn)定，不太容易被篡改了。十分鐘的時(shí)間，如果是跨國(guó)支付，這相比于傳統(tǒng) T+2、 T+3 的到賬時(shí)間已經(jīng)大大縮短了。但是如果做一些面向消費(fèi)者的應(yīng)用，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足高頻消費(fèi)的需求。當(dāng)然目前在比特幣上也有很多像微支付通道、閃電網(wǎng)絡(luò)、隔離見證這樣的技術(shù)去改善比特幣的吞吐量和交易確認(rèn)時(shí)間的問(wèn)題。
- 愈發(fā)中心化
比特幣是解決”拜占庭將軍“問(wèn)題很好的解決方案，但是在POW的共識(shí)機(jī)制中，有一個(gè)前提條件，那就是大部分的節(jié)點(diǎn)，至少是51%的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該是”好人“。否則會(huì)出現(xiàn)51%的算力攻擊。事實(shí)上，現(xiàn)在已經(jīng)存在了這樣的風(fēng)險(xiǎn)，BTC.COM,Antpool,ViaBTC前三大礦池，已經(jīng)占到了全網(wǎng)52.4%的算力水平。如果他們想聯(lián)合起來(lái)，篡改數(shù)據(jù)或者對(duì)比特幣進(jìn)行分叉，則會(huì)影響到比特幣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
二、POS
POS共識(shí)機(jī)制則誕生于人們對(duì)于POW日趨中心化的算力分布心懷忌憚之際。虛擬貨幣愛好者開始研究另一種共識(shí)機(jī)制——POS（Proof of Stake）：權(quán)益證明機(jī)制。
對(duì)于驗(yàn)證人/節(jié)點(diǎn)的獎(jiǎng)勵(lì)，不是通過(guò)算力挖礦，而是通過(guò)持幣而產(chǎn)生利息，這里就要引入一個(gè)概念叫做---幣齡，幣齡=幣量x持有天數(shù)。這是根據(jù)你持有貨幣的量和時(shí)間，給你發(fā)利息的一個(gè)制度。當(dāng)你獲得了利息以后，你的所有幣齡將被清空，你的持幣時(shí)間將從0重新算起。
黑幣是歷史上第一個(gè)純POS數(shù)字貨幣，首創(chuàng)快速挖礦+低股息發(fā)行模式，發(fā)行前7天采用Scrypt算法挖礦，第八天開始進(jìn)入純POS階段。ETH目前也在根據(jù)這一思路進(jìn)行POW到POS的轉(zhuǎn)換過(guò)程。
PoS 挖礦和 PoW 礦機(jī)挖礦一樣，都可以維護(hù)區(qū)塊鏈的增長(zhǎng)和安全。
POW共識(shí)同樣可以理解為是一個(gè)下注機(jī)制：礦工選擇一個(gè)塊基于它進(jìn)行挖礦，也就是賭這個(gè)塊會(huì)成為主鏈的一部分；如果賭對(duì)了，他可以收到獎(jiǎng)勵(lì)，而如果賭錯(cuò)了，他會(huì)損失電費(fèi)。只要所有的礦工都將他們的算力下注到同一條鏈上，使這條鏈擁有最多的工作量，共識(shí)就是安全的。
以以太坊為例，Casper協(xié)議下的POS共識(shí)機(jī)制可以解決早期POS無(wú)懲罰機(jī)制的問(wèn)題。因?yàn)镃asper協(xié)議要求驗(yàn)證人需通過(guò)抵押保證金（ETH）對(duì)共識(shí)結(jié)果進(jìn)行下注。而共識(shí)結(jié)果又通過(guò)驗(yàn)證人的下注情況形成：驗(yàn)證人必須猜測(cè)其他人會(huì)賭哪個(gè)塊勝出，同時(shí)也下注這個(gè)塊。如果賭對(duì)了，他們就可以拿回保證金外加交易費(fèi)用，也許還會(huì)有一些新發(fā)的貨幣；如果下注沒(méi)有迅速達(dá)成一致，他們只能拿回一部分保證金。因此數(shù)個(gè)回合之后驗(yàn)證人的下注分布就會(huì)收斂。
三、DPOS
可以說(shuō)DPOS是POS共識(shí)機(jī)制理念的一個(gè)變種，之所以單獨(dú)拿出來(lái)說(shuō)明，主要是因?yàn)槟壳皯?yīng)用DPOS共識(shí)機(jī)制的明星項(xiàng)目太多了。大名鼎鼎的當(dāng)屬BM的EOS了，這位大神之前的兩個(gè)項(xiàng)目，Bitshares和Steem也同樣使用了這一機(jī)制。
DPOS讓每一個(gè)持有代幣的人都有權(quán)利通過(guò)投票給驗(yàn)證人的方式行使自己的權(quán)利，利用科技的手段實(shí)現(xiàn)民主治理。當(dāng)然我們會(huì)不可避免的遇到“選民冷漠”的難題，但相信通過(guò)將利益分配給每個(gè)選民，讓每個(gè)代幣的持有人獲得系統(tǒng)良好發(fā)展所帶來(lái)的紅利，一定會(huì)刺激人們積極地參與“治理”。相比于POW機(jī)制下，靠算力比“誰(shuí)力氣大”的方式，將比特幣礦工群體與社區(qū)漸行漸遠(yuǎn)，DPOS在很大程度上將權(quán)利重又附于給了每個(gè)社區(qū)成員，也即真正關(guān)心項(xiàng)目的人。
最近EOS正在如火如荼地進(jìn)行全球超級(jí)節(jié)點(diǎn)的選舉，EOSGO上可以看到節(jié)點(diǎn)競(jìng)選的相關(guān)信息，想要了解或者參與競(jìng)選的朋友們，可以看看這篇文章。
能夠見證、伴隨、參與一個(gè)項(xiàng)目的發(fā)展真是件有趣的事情，長(zhǎng)這么大第一次對(duì)民主選舉有了親身體驗(yàn)。（下圖是按照國(guó)家統(tǒng)計(jì)的EOS超級(jí)節(jié)點(diǎn)競(jìng)選團(tuán)隊(duì)的情況）
