摘要：更多區(qū)塊鏈知識共識機制是區(qū)塊鏈領(lǐng)域的核心概念，無共識，不區(qū)塊鏈。是比特幣采用的共識算法，從誕生起運行至今，表現(xiàn)穩(wěn)健，是史上最成功的共識算法，沒有之一。挖到礦的礦工同時得到一筆算法賦予的獎勵，也就是一些比特幣。

更多區(qū)塊鏈知識

共識機制是區(qū)塊鏈領(lǐng)域的核心概念，無共識，不區(qū)塊鏈。

區(qū)塊鏈作為一個分布式系統(tǒng)，可以由不同的人或機構(gòu)，將安裝了區(qū)塊鏈軟件的計算機（簡稱節(jié)點）加入到網(wǎng)絡(luò)里，然后共同計算數(shù)據(jù)、共同見證交易的執(zhí)行過程，并確認最終計算結(jié)果。

如何協(xié)同這些松散耦合，互不信任的節(jié)點一起工作，達成信任關(guān)系，并保障一致性，持續(xù)性，可以抽象為“共識”過程。

共識需要解決的幾個核心問題是：

1. 誰在這個網(wǎng)絡(luò)里有記賬權(quán)，也就是做為leader發(fā)起一次記賬。    
2. 做為互相不信任的參與者，為什么要采納和相信某一個人給出的記賬。  
3. 怎么保證大家最終收到的結(jié)果都是一致的，無錯的。    

公鏈上把“激勵”也作為一個核心的考慮項，來保證鏈的可持續(xù)發(fā)展，這是合理的，但是聯(lián)盟鏈不一定會采用代幣激勵，所以本文不把激勵放到這三個核心問題里。

以下介紹幾個典型共識的策略：
首先介紹 PoW（Proof Of Work）工作量證明。POW是比特幣采用的共識算法，從誕生起運行至今，表現(xiàn)穩(wěn)健，是史上最成功的共識算法，沒有之一。

POW的哲學簡單可靠，大家理論上都可以發(fā)起記賬，拼算力，看誰能先算出一個小概率的隨機數(shù)，也就是俗稱的挖礦，這個隨機數(shù)在數(shù)學角度有嚴謹?shù)耐蒲荩ㄟ^動態(tài)調(diào)整的難度策略限制，無論礦工投入的硬件多強，都能控制在10分鐘左右挖到一個礦，算力強的礦工因為可以在這段時間內(nèi)計算更多的隨機數(shù)，所以更有機會比其他人先挖到礦。

挖到礦的礦工就可以廣播自己的記賬結(jié)果，全網(wǎng)的其他節(jié)點可以選擇接受這個結(jié)果，然后默默開始的下一輪的挖礦。挖到礦的礦工同時得到一筆算法賦予的獎勵，也就是一些比特幣。

如果剛好兩個礦工完全同時的挖到礦，那么就會出現(xiàn)競爭，網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了兩個記賬結(jié)果，這個時候其他節(jié)點會隨機選擇一個，或者按順序選擇自己先接收到的一個，繼續(xù)在它基礎(chǔ)上進行挖礦（基于該記賬結(jié)果的基礎(chǔ)，再挖到的新的一次礦，稱為新一次確認），由于網(wǎng)絡(luò)有隨機延遲，隨機策略等區(qū)別，一般會有一個記賬結(jié)果會被更多人接受，有機會更快的被持續(xù)確認六次，另一個就被拋棄了。這就是競爭和分叉處理。

POW的表現(xiàn)有點像單純的原始年代，大家都憑力量和速度去挖礦淘金，誰先挖到一塊金子，就勝出一次，看起來非常的公平公正，簡單粗暴，無可挑剔，其簡單性也讓這個體系得以穩(wěn)定運行多年。畢竟拼了老命去挖礦的礦工，只會繼續(xù)拼命挖礦來加固自己的成果，輕易不會作弊，礦工作弊會導致網(wǎng)絡(luò)失去公信力，其辛苦挖來的持有的資產(chǎn)也會貶值。其他人想攻擊這網(wǎng)絡(luò)，需要投入的算力要比現(xiàn)有的礦工多，得比現(xiàn)有的已經(jīng)很熟練很有力量的礦工更努力，如果收益不是很可觀，是不值得的 -- 換句話說，反正比特幣網(wǎng)絡(luò)有獎勵，如果我有這超越了其他礦工算力，為何不去挖礦賺錢，破壞網(wǎng)絡(luò)吃力不討好干啥（除非別有所圖）。于是，博弈論就這么玄妙的產(chǎn)生了作用。

同時，這種掰腕子秀肌肉的哲學，最讓人吐槽的就是不環(huán)保，能耗太多，效率較低，無腦算HASH，對科學計算也沒什么貢獻（曾經(jīng)有將算力用于計算天文問題來挖礦的方案，但是沒有形成大規(guī)模效應(yīng)），參與者能通過暴力堆積硬件，采用極致優(yōu)化（只能做HASH計算的）芯片，在網(wǎng)絡(luò)里掌握話語權(quán)，也就是所謂的算力集中問題。

總結(jié)一下，之前的三個問題在POW里的解決方案

1. 誰在這個網(wǎng)絡(luò)里有記賬權(quán)，也就是做為leader發(fā)起一次記賬。  
雖然大家都有機會參與記賬，算力強大的人更有機會成為記賬者，誰勁兒大誰當擂主。  

2. 做為互相不信任的參與者，為什么要接受和相信某一個人給出的記賬。   
因為記賬者付出了算力的巨大代價做為背書，他可以為記賬行為負責，可以傾向認為他不作惡。  

3. 怎么保證大家最終收到的結(jié)果都是一致的，無錯的。  

其他人可以從網(wǎng)絡(luò)里同步到記賬者的數(shù)據(jù)，通過區(qū)塊里的hash算法校驗數(shù)據(jù)，因為區(qū)塊數(shù)據(jù)有難以產(chǎn)生（需要算力），容易校驗（hash容易計算）的特性，大家對數(shù)據(jù)校驗通過后都采用記賬者給出的數(shù)據(jù)，全網(wǎng)一致，如有分叉，6次確認后解決。

考慮到POW的短板，行業(yè)里提出了PoS（Proof Of Stake）權(quán)益證明的思路。PoS的基本思想是讓在網(wǎng)絡(luò)中擁有更多權(quán)益的人有機會在更短時間里做更多的決定，因為畢竟權(quán)益持有者人更傾向維護網(wǎng)絡(luò)的利益，且害怕作惡后被懲罰，損傷自己的聲望和財產(chǎn)。
PoS的算法實現(xiàn)有很多變種，其中一個比較典型的是引入了“幣齡”的概念，比如，一個人手里拿了一筆錢，而且持續(xù)拿了一段時間，那么基本上可以認為這個人是比較忠于這個網(wǎng)絡(luò)的，他的權(quán)益值就比較高了。為了鼓勵人們持有代幣，一般是有利息可圖的，所以也鼓勵了人們傾向持有資產(chǎn)，不斷增值，維持權(quán)益。
對權(quán)益較高的人，如何獲得記賬權(quán)力，也有多個變種實現(xiàn)，在繼續(xù)采用挖礦算法的網(wǎng)絡(luò)里，可以加權(quán)的降低他的挖礦難度，讓他更容易挖到礦，獲得記賬權(quán)?；蛘卟捎眉訖?quán)的輪詢算法，輪流讓權(quán)益擁有者輪流記賬。
可以認為，PoS引入了財富做為公信力背書的一個考慮角度，和簡單粗暴誰有力量誰說了算的PoW對比，有利于降低純計算資源的消耗，看起來也沒有那么肌肉感了。

總結(jié)一下PoS：

1. 誰在這個網(wǎng)絡(luò)里有記賬權(quán)，也就是做為leader發(fā)起一次記賬。    
  
  持有權(quán)益較多的一撥人競爭或輪流記賬。
  
2. 做為互相不信任的參與者，為什么要接受和相信某一個人給出的記賬。    
  記賬者用自己的財力做為背書，大家相信他們不會輕易作惡，如果作惡，可以用經(jīng)濟方式懲罰他。  

3. 怎么保證大家最終收到的結(jié)果都是一致的，無錯的。    
  
   通過驗證記賬權(quán)益和數(shù)據(jù)，大家相信這一輪的記賬者，一致使用他的記賬結(jié)果    。

在PoS的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出了一個DPoS的共識算法。和PoS對比多了D，全稱是“Delegated Proof of Stake，股份授權(quán)證明機制”，原理是讓所有持幣人都有機會選出自己的代表，比如全網(wǎng)有1萬個參與人，通過一定的算法，參與人以自己的代幣為權(quán)益證明，選出101個代表，這些代表可以輪流或者采用PoS算法加權(quán)的獲得記賬權(quán)，進行記賬。
DPoS理論上不要求選出的代表個體本身是權(quán)益所有人，看起來更民主，更開放。網(wǎng)絡(luò)參與者做為選民有機會選出自己的代表，來給自己的利益代言。如果選出的代表不作為（輪到自己記賬時不記賬），或者作惡，可以把他們踢掉，如有必要進行懲罰（選民們也有可能被懲罰）。否則記賬者有機會獲得相應(yīng)的獎勵，也有可能將獎勵發(fā)放給選出自己的民眾們。

總結(jié)一下DPoS：

1. 誰在這個網(wǎng)絡(luò)里有記賬權(quán)，也就是做為leader發(fā)起一次記賬。  
   擁有權(quán)益的散戶，分別選出自己的代表參與記賬。  

2. 做為互相不信任的參與者，為什么要接受和相信某一個人給出的記賬。    
  大家相信代表，因為他們能代表相當一部分人的在網(wǎng)絡(luò)里的利益。  

3. 怎么保證大家最終收到的結(jié)果都是一致的，無錯的。  
  相信代表，一致使用他的記賬結(jié)果 。   

以上的都是在公有鏈里采用的共識算法，都能解決可信和一致性的問題，區(qū)別在于組織方式和計算代價不同，有一點相同的是：都是追求“最終一致性”，而不是強一致性。
也就是說在網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)故障、通信分區(qū)、權(quán)益和算力相近等情況，依舊可能有多個記賬者在競爭記賬，所以每次記賬可以理解成一次提案，大家暫時保存這一次提案的競爭結(jié)果，最終確定下來可能要依賴多次競爭，也就是所謂的一頓燒烤解決不了的問題，那就再來一頓，然后再一頓。直到大家看到，之前的某一次記賬，都被大家接受了，而且是接受了好幾次，才達成最終一致性，這個時間是相對比較長的，比如比特幣的6次確認，需要一個小時。公鏈里的共識以及其他交易行為，可以理解為一種概率游戲，隨著時間推移和投入到共識里的工作量或權(quán)益越多，確定性的概率就越大，大到概率上幾乎不可逆，或者必須投入匪夷所思的大量的資源才能推翻時，就達成了確定性。

我們的目標是實現(xiàn)聯(lián)盟鏈的共識，聯(lián)盟鏈和公有鏈不同的是，參與記賬的人，身份是可知的、可控的，可能有監(jiān)管或者經(jīng)濟共同利益之類的措施來約束他們。

另外，聯(lián)盟鏈的場景傾向與追求強一致性，也就是說一筆交易發(fā)生了，就不能再被分叉或回滾推翻了。所以聯(lián)盟鏈通常使用的是PBFT和Raft算法以及其變種。

BFT（Byzantine Fault Tolerance）即“拜占庭容錯算法”，其細節(jié)說起來特別復(fù)雜，來自80年代的一個理論，據(jù)說至今沒有一個完全的、普適性的權(quán)威實現(xiàn)，Babara Liskov在2002年提出PBFT，放松了約束來解決拜占庭問題，而因此獲得了圖靈獎。我們參考“實用性的拜占庭容錯” Practical BFT做了一個實現(xiàn)，是自己從頭開發(fā)的。

PBFT的記賬者在初始階段就是相對固定的，聯(lián)盟鏈里可以根據(jù)不同的場景來選擇記賬者，如機構(gòu)之間線下協(xié)商、線上配置，也可以引入DPoS的思想，先通過一些選舉策略選出一批記賬者，但這樣在聯(lián)盟鏈里可能帶來額外的復(fù)雜性，如果商業(yè)場景需要，可以在既有基礎(chǔ)上開發(fā)PBFT-dPos。

所以我們的實現(xiàn)是可動態(tài)配置式的記賬者列表，在具備共同利益的的聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)里，所有或大部分機構(gòu)都參與記賬，大家一起維護商業(yè)利益，如果某個機構(gòu)在記賬過程中犯錯、作弊、或者不工作，都可以通過少數(shù)服從多數(shù)容錯，然后進行事后追責，保護大家的利益。算法的容錯能力是能接受1/3成員的錯誤和作弊，如7個成員，只要作惡或出錯的成員在兩個和兩個以下，網(wǎng)絡(luò)就是安全的。但如果網(wǎng)絡(luò)里有很多個作惡者，那么這個網(wǎng)絡(luò)可被視為失效。

BFT算法的過程是一次提案，幾步提交，在這個過程中有復(fù)雜的狀態(tài)機維護的細節(jié)。起始時可按一些簡單的規(guī)則，如輪次機制，讓某一個機構(gòu)的某一個節(jié)點在某個區(qū)塊高度上，成為議長，得到記賬權(quán)，然后進行記賬提案，其他節(jié)點對提案進行數(shù)據(jù)驗證（驗證簽名，驗證交易數(shù)據(jù)，驗證合約計算結(jié)果等），覺得都ok之后，返回一個簽名確認，議長收集大家的簽名，達到一定的數(shù)量后，認為達成少數(shù)服從多數(shù)的效果，則將記賬結(jié)果廣播出去，大家在將記賬結(jié)果存下來之前，還可以再進行一次投票和計票，確認大多數(shù)人都收妥了記賬數(shù)據(jù)并無異議，再將記賬數(shù)據(jù)存下來，開始下一輪。

可以形象的描述下：一個團體，比如有7個人，大家都有投票權(quán)，要對某次聚餐計劃的選擇進行投票，這個時候某一個人發(fā)起一個提議，大家看ok呀，紛紛舉手，提議的人定時數(shù)數(shù)，舉手的人超過4個，就達成決議，否則再換一個人提議。如果提議達成，決定了吃什么什么時候吃，發(fā)起人給大家群發(fā)個郵件制定日程，大家接受日程并給出反饋，當看到有不少人都接受了郵件日程不會反悔，那么，這頓飯就成行了。

如果團隊人數(shù)較多，也是可以讓一部分人成為投票代表，比如一個上百人的班里，由選出來的班干部投票就可以了。其他人成為“觀察者”，無條件接受這一部分人通過拜占庭容錯算法得出的結(jié)果，和DPoS的思想類似。

PBFT算法在參與人數(shù)較少的聯(lián)盟鏈里，有相當可觀的實用價值：

1. 少數(shù)服從多數(shù)，體現(xiàn)了民主性。  
2. 大家參與投票，都能刷存在感。  
3. 不需要粗暴的算力介入，相當環(huán)保。  
4. 多步提交反復(fù)確認，一旦共識完成就達成一致性，可以短時間內(nèi)就達成確定性的交易。  
5. 每次投票都有數(shù)字簽名，可以抗抵賴，不會投了票不認。  
6. 可以不依賴代幣經(jīng)濟鼓勵來保證記賬的正確性。

所以，PBFT相對公鏈的各種共識，可以理解成特定的已知身份的團隊內(nèi)的快速達成一致的一種高效算法，特定團隊的形成也是至關(guān)重要的，所以會有PBFT-Auth(經(jīng)過驗證的記賬人), PBFT-PoS,PBFT-DPoS等多種變化。是否需要在投票和容錯的部分進行常場景性的優(yōu)化（如帶加權(quán)系數(shù)的投票，容錯由1/3改為1/2或者改為0容錯等等），要看場景需求，目前來看，保證有一個相對簡單，運行穩(wěn)定的PBFT算法是首要的。

總結(jié)一下PBFT：

誰在這個網(wǎng)絡(luò)里有記賬權(quán)，也就是做為leader發(fā)起一次記賬。
所有人平等的輪流參與記賬，或者經(jīng)過許可的，或者大家選出來的一撥人進行輪流記賬。

做為互相不信任的參與者，為什么要接受和相信某一個人給出的記賬。
少數(shù)服從多數(shù)，每次記賬的結(jié)果都是多數(shù)派的投票勝利。

怎么保證大家最終收到的結(jié)果都是一致的，無錯的。
通過多步提交反復(fù)確認，保證提案和最終結(jié)果都是正確的，是多數(shù)人承認的，是全網(wǎng)一致的。

PBFT的小問題在于狀態(tài)機維護復(fù)雜，投票往返步驟較多，容易受網(wǎng)絡(luò)波動影響，對網(wǎng)路延遲和丟包相當敏感，當參與者數(shù)量增多，不穩(wěn)定因素會被放大，其穩(wěn)定性和效率可能會顯著下降，這也是我們在持續(xù)的踩坑和優(yōu)化的部分，要做到一個企業(yè)級環(huán)境可用的，健壯的PBFT共識，是非常有挑戰(zhàn)性的，不但需要對區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)和運作哲學有很深的理解，也要對分布式系統(tǒng)的通信，協(xié)作，性能優(yōu)化有大量的實踐經(jīng)驗。

結(jié)合以太坊帳戶模型和智能合約引擎機制，我們對PBFT也做了大量的優(yōu)化，比如把串行的任務(wù)改成并行，把不必要重復(fù)計算的數(shù)據(jù)（如區(qū)塊數(shù)據(jù)打包，簽名等）緩存下來，快速偵測記賬者存活，加快切換速度等等，都是復(fù)雜的工程，需要一次又一次迭代的長夜漫漫的腦補、實現(xiàn)、測試、修BUG、壓測、量化，足以重新寫一篇長文了。

聯(lián)盟鏈還可以采用一種共識算法Raft，簡單的說可以理解成大家選出一個記賬者，如果它穩(wěn)定運行沒有掛掉，就由他記賬，大家無條件接受他的記賬結(jié)果，相信他是誠實的，如果他掛掉了，那么大家是可以通過超時或網(wǎng)絡(luò)探測感知，然后快速啟動一輪投票，來選出一個新的記賬者，然后繼續(xù)無條件的等它記賬，這樣就達成了容錯性。

這在信任度較高，機構(gòu)組成簡單的的聯(lián)盟鏈或者一個機構(gòu)內(nèi)的私有鏈里，是比PBFT更加高效的一種做法，因為不需要多步的反復(fù)確認，受網(wǎng)絡(luò)影響的可能性也小很多。

但是Raft算法并不解決記賬者耍花樣的問題，如果選出的記賬者作惡，其他人當時是沒有辦法識破的，最多只能通過事后檢查來發(fā)現(xiàn)，在確定性要求較高的場景，比如收了錢就要交貨的DVP場景里，容易出現(xiàn)錢貨兩空的情況。另外，Raft算法有可能在網(wǎng)絡(luò)波動或競爭情況下出現(xiàn)短暫的網(wǎng)絡(luò)分叉，需要多次確認。

Raft適合用于專注解決可用性（保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行），追求相對較高效率（比優(yōu)化后的PBFT大致高20~50%的效率）的場景，基本忽略欺詐可能，且對交易延時要求可以放寬（等待多次確認）。

為了在速度和抗欺詐之間獲得平衡，也有出現(xiàn)PBFT-Raft混用的共識，比如讓一個記賬者固定出塊，其他人極少輪次的投票，或者進行快速的后置檢測，如果發(fā)現(xiàn)Raft的記賬者在作惡，立刻回滾沖正，并踢掉并懲罰作惡的記賬者等等，這就有一些場景化的需求需要考慮了。

總結(jié)一下Raft：

1. 誰在這個網(wǎng)絡(luò)里有記賬權(quán)，也就是做為leader發(fā)起一次記賬。  
  選出一個記賬者，讓他做為唯一的可信者進行記賬，除非掛掉。  
2. 做為互相不信任的參與者，為什么要接受和相信某一個人給出的記賬。  
  無條件相信記賬者，from the beginning till the last,至死不渝。  
3. 怎么保證大家最終收到的結(jié)果都是一致的，無錯的。  
  記賬者說的都是對的，大家都用他的數(shù)據(jù)，是一致的。  

回顧一下：

POW：用盡創(chuàng)世紀時代的洪荒之力求生存求發(fā)展。

PoS：采用權(quán)益加權(quán)，減少計算資源消耗。

DPoS：一定程度的民選制度，用民意取代集中的權(quán)益，民意代表們把握話語權(quán)。

PBFT：少數(shù)服從多數(shù)，快速達成共識，體現(xiàn)參與度和民主性，有較強的確定性和抗欺詐性。

Raft：強調(diào)可用性和最終一致性，效率較高，不強調(diào)抗欺詐性。**

共識算法的研究是很有意思的課題，我們也看到共識算法的選擇和演進，隱約和人類社會的不同階段是對應(yīng)得上的。算法其實是社會里人和財產(chǎn)的關(guān)系在計算機世界的一種映射，研究共識算法，不僅是需要研究計算機理論（圖靈機時代，其實計算機也能體現(xiàn)人性），也要去深刻的理解社會學，經(jīng)濟學，心理學，博弈論。
畢竟，在一個不完全互信的環(huán)境里，宛如黑暗森林，需要復(fù)雜的算法來協(xié)同、斡旋各懷心事的參與者，并且能懲罰作惡的、獎勵誠實的，目前社會制度其實也沒有完美的做到，一切努力只是盡量的使系統(tǒng)運作的盡量順暢，讓世界更好一點點。