区块链共识机制的分类和优缺点简析

区块链的基础是P2P分布式网络、加密算法和共识机制。

在这些基础技术中，共识机制是至关重要的。可以说共识机制是区块链技术的核心，共识机制对于一个区块链系统来说就是它的灵魂。

共识机制很大程度上决定了整个区块链系统节点间的相互信任程度，也决定了其他使用者对于区块链上数据的信任程度。

区块链与普通分布式系统，尤其是分布式数据库最大的区别就是“去中心化”，而正是共识机制决定了一个区块链系统“去中心化”的程度。

通常，我们把区块链分为两大类：一种是公有链，一种是非公有链。

这两种区块链的核心区别在于：参与共识的节点是否是受控的。

对于公有链来说，互联网上的任何计算机都可以通过运行相应的区块链程序，参与整个区块链的共识；

而对于非公有链来说，通常需要获得之前区块链节点中大部分节点的同意，或者通过其他某种机制，获得参与共识的权力。

目前主要几类共识算法如下：PoW、PoS、DPos、Ripple Consensus、PBFT、dBFT、POOL验证池

1.PoW（工作量证明）

通过与或运算，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；

优点：易实现，节点间无需交换额外的信息即可达成共识，破坏系统需要投入极大的成本。

缺点：浪费能源，区块的确认时间难以缩短；共识达成的周期较长，不适合商业应用

2.PoS（权益证明）

PoW的一种升级共识机制，本质上是采用权益证明来代替PoW的算力证明，记账权由最高权益的节点获得，而不是最高算力的节点。根据每个节点所占代币的比例和时间；等比例的降低挖矿难度，从而加快找随机数的速度。

优点：解决了PoW 消耗算力的问题，在一定程度上缩短了共识达成的时间

缺点：拥有权益的参与者未必希望参与记账，还是需要挖矿。

3.DPos（股份授权证明机制）

类似于董事会投票，持币者投出一定数量的节点，代理他们进行验证和记账。

优点：大幅缩小参与验证和记账节点的数量，可以达到秒级的共识验证。

缺点：整个共识机制还是依赖于代币，很多商业应用是不需要代币存在的。

4.Ripple Consensus（瑞波共识算法）

使一组节点能够基于特殊节点列表达成共识。初始特殊节点列表就像一个俱乐部，要接纳一个新成员，必须由51%的该俱乐部会员投票通过。共识遵循这核心成员的51%权力，外部人员则没有影响力。由于该俱乐部由“中心化”开始，它将一直是“中心化的”，而如果它开始腐化，股东们什么也做不了。

5.PBFT：Practical Byzantine Fault Tolerance（实用拜占庭容错算法）

在保证活性和安全性（liveness & safety）的前提下提供了(n-1)/3的容错性。

在分布式计算上，不同的计算机透过讯息交换，尝试达成共识；但有时候，系统上协调计算机（Coordinator / Commander）或成员计算机（Member /Lieutanent）可能因系统错误并交换错的讯息，导致影响最终的系统一致性。

拜占庭将军问题就根据错误计算机的数量，寻找可能的解决办法，这无法找到一个绝对的答案，但只可以用来验证一个机制的有效程度。

而拜占庭问题的可能解决方法为：

在 N ≥ 3F + 1 的情况下一致性是可能解决。其中，N为计算机总数，F为有问题计算机总数。信息在计算机间互相交换后，各计算机列出所有得到的信息，以大多数的结果作为解决办法。

优点：

1）系统运转可以脱离币的存在，pbft算法共识各节点由业务的参与方或者监管方组成，安全性与稳定性由业务相关方保证。

2）共识的时延大约在2~5秒钟，基本达到商用实时处理的要求。

3）共识效率高，可满足高频交易量的需求。

缺点：

1)当有1/3或以上记账人停止工作后，系统将无法提供服务；

2)当有1/3或以上记账人联合作恶，且其它所有的记账人被恰好分割为两个网络孤岛时，恶意记账人可以使系统出现分叉，但是会留下密码学证据；

6.dBFT： delegated BFT 授权拜占庭容错算法

小蚁（NEO）采用的dBFT机制，是由权益来选出记账人，然后记账人之间通过拜占庭容错算法来达成共识。

此算法在PBFT基础上进行了以下改进：

将C/S架构的请求响应模式，改进为适合P2P网络的对等节点模式；

将静态的共识参与节点改进为可动态进入、退出的动态共识参与节点；

为共识参与节点的产生设计了一套基于持有权益比例的投票机制，通过投票决定共识参与节点（记账节点）；

在区块链中引入数字证书，解决了投票中对记账节点真实身份的认证问题。

优点：

1)专业化的记账人；

2)可以容忍任何类型的错误；

3)记账由多人协同完成，每一个区块都有最终性，不会分叉；

4)算法的可靠性有严格的数学证明；

缺点：

1)当有1/3或以上记账人停止工作后，系统将无法提供服务；

2)当有1/3或以上记账人联合作恶，且其它所有的记账人被恰好分割为两个网络孤岛时，恶意记账人可以使系统出现分叉，但是会留下密码学证据；

以上总结来说，dBFT机制最核心的一点，就是最大限度地确保系统的最终性，使区块链能够适用于真正的金融应用场景。

7.POOL验证池

基于传统的分布式一致性技术，加上数据验证机制。

优点：不需要代币也可以工作，在成熟的分布式一致性算法（Pasox、Raft）基础上，实现秒级共识验证。

缺点：去中心化程度不如bictoin；更适合多方参与的多中心商业模式。