从POW到POS看区块链共识的发展

共识机制是区块链的灵魂。就像一个国家的法律，维系着区块链世界的正常运作。区块链最早的共识是工作量证明（POW），比特币和以太坊都是采用的工作量证明。现在流行的一个趋势是权益证明（POS）。以太坊2.0就会采用 POS 共识，还有最新的公链如 Tezos，Polkadot，Algorand 等等。权益证明还包括委托权益证明（DPOS），代表公链有EOS。大多其他公链采用的共识都是从 POW 或者 POS 中衍生出来。我们暂时把联盟链共识不放到讨论范畴中，从 POW 到 POS，来研究一下区块链共识的发展。

工作量证明

区块链共识的目的是决定出块权。工作量证明的基本思想就是用算力来决定出块权。如果你能第一个解出 POW 的计算难题，你就可以出块。在每一个时间点，大家都在算题，然后在差不多的时间里，大家把题算出来，再把计算结果发布出去。这其实就是一个投票的过程。发布的块就是投的票。最后被选中的票，就是来自于那个最快算出结果的矿机。至于没有发布块的节点，相当于弃权了。工作量证明的一个最大优点，就是所投的票和投票权是绑定的。而且一旦投票成功以后，即使是投票者本人也修改不了投票的内容。因为一般在出块前，节点就已经打包好一个块，然后才对这个块做工作量证明，做完后马上投出去。这个时候打包的块已经没有办法修改了。

矿机跑一天可以投出很多票，但是不可以把所有的算力集中到一个块上；另一方面，如果想要回滚掉自己出的块，也必须付出和回滚别人的块时所需的同等的算力。这是不可能的，所以 POW 共识是非常安全的。

基于POW机制去做共识算法的最主要缺点就是延迟比较高，因为我们把交易打包到区块以后，还要完成一个工作量证明，这个区块才能称为候选区块。工作量证明的时间还不能设得特别短，否则容易分叉。于是，至少从打包好区块到做完区块的工作量证明这一段时间内，交易是能被确认的。

工作量证明的时间为什么不能设置太短？因为在网络条件一定的情况下，广播速度是有限制的。如果出块速度设置得比广播速度快，使得节点在收到别人新出的块之前，自己就挖到了，这样就会出现分叉。如果这个差距比较大的话，分叉就会特别多。分叉多会降低安全性。我们说对比特币的攻击需要51%的算力。这个前提是大家都集中在同一条链上。好人有49%，坏人要有51%就能攻击。但如果真的出现频繁分叉的情况，比如说我在分叉A上有30%的算力，在分叉B上有40%的算力。这个时候坏人想把分叉B给回滚改到分叉A，只需要11%算力就可以。只要比全世界的诚实的算力最多的两个分叉之间的差稍微多一点，攻击者就可以让最长链在这两个上面分支上跳来跳去。大大降低安全性。

POW 机制另一个被人诟病的点就是能耗特别高，不环保。因为哈希运算耗电。所以，要想让区块链支持大规模的商用，POW 需要改变。所以，就有了 POS。

权益证明

权益证明基本的思想是：把持有的币做质押，来获取记账权和投票权。投票权和持币的数量是成正比的，一币一票。钱越多，投票的权力就越大。

跟 POW 不知道有多少矿机参与挖矿不同，POS 协议必须知道所有共识参与者的数量和它们的持币量，然后去分配打包权和投票权。另外在 POW 里面，打包权和投票权是一起的，但是在 POS 里，这两者是可以分开的。分配完打包权以后，拿到打包权的人就有资格出一个候选区块。这个区块里面包含要处理的交易，并且有他自己的签名。候选区块并不意味着就会被马上加入共识，在广播候选区块以后还需要由那些有投票权的人去投票。如果能得到多数票的支持，候选区块就会最终被加入共识，变成一个有效的区块。当然投票的过程我们可以用很多方式执行，比较常见的就是用少数服从多数的共识算法。因为现在我们知道一共有多少人有资格投票、一共有多少票，所以用这个共识算法我们很容易算出来多数，比如超过1/2或者2/3。

在去中心化机制中，我们需要选举谁负责打包，谁负责投票。有时候为了效率，大家会先选出一个比较小的委员会，然后由他们负责投票。这样的委员会通常是随机选取的，而且为了公平性还要经常轮换。或者还可以用代理权益证明的 DPOS 机制，选取相对固定的委员会负责打包和投票。这样虽然损失一些去中心化程度，但是可以大大提高效率。

在 POS 系统中，如果检测到有参与者违反了 POS 共识的协议，比如一票多投，或者放弃投票，就可以对他们做出一些惩罚。凡是对系统的安全性造成影响的行为都应该收到惩罚。

权益证明的优缺点

相对 POW，权益证明有哪些优点呢。

第一个优点：矿工和持币者的动机是一致的。POS 的矿工都必须持币，在整个的生态环境里减少了一个不持币单靠机器来挖矿的角色。在 POW 的社区中，持币者、开发者、以及矿工三方的利益不是完全一致的，经常会有冲突。到了POS 中，至少矿工和有钱人的利益更为一致了。在一定程度上冲突和分歧就减少了。

第二个优点：POS 的延迟可以做得非常低，确认可以非常快。在 POS 系统里，拿到一个交易就可以马上打包，打包以后就可以广播，这个时间是不需要等待的，不像 POW，必须等至少做一次哈希运算的时间。实际上，POS 共识的延迟主要是受限于网络和参与投票的人数。网络越慢，投票的人越多，等待的时间也就越久。

第三个优点：POS 比较环保，因为它不需要用算力做工作量证明。投票实际上就是做个签名，最多再做一些简单的运算，比求解 POW 难题容易多了。所以 POS 节点硬件成本很小，也不耗电。

但是，POS 也有自己的问题。

第一个就是通讯复杂度跟投票的人数相关，而且通常是平方的关系。参与投票的人数越多，通讯越复杂，达成共识需要的时间就越久。不过，现在通过RBFT，BLS签名等技术，可以大大减少投票数量。这个问题基本上算是得到了很好的解决。

还有一个比较本质的问题，就是投票权的决定时间是早于生成候选区块的。POW 是先打包，再投票，最后决定出块权。投出的票就不能改了。在 POS 里，决定投票权和行使投票权是分离的，没有绑定在一起。有区块以前，我们就知道谁有投票权了。所以拿到投票权以后，我可以随便地去投，这就意味着我可以选择的策略空间更大，整个博弈会变得更复杂。通常来说，策略空间大对于安全性是不好的，因为给攻击者留出了更大的操作空间。攻击者如果操作空间大，能干的事儿就很多，想保证安全性也会变得更难。越复杂的系统的安全性越难保证，一方面是分析证明起来会更困难，另一方面是攻击者也更容易在复杂的系统里找到漏洞。所以在 POS 系统里面，有很多种攻击方式，比如无利害攻击、长程攻击等。

几种权益证明

再来简单介绍几个有名的POS共识，主要了解他们的基本原理和各自的差异。

Tendermint

这是跨链平台 Cosmos 采用的共识。可以做为了解 POS 的入门共识。Tendermint 每次由不固定的节点发布新块，然后通过 PBFT 的方式让其他所有节点对区块进行投票验证。超过2/3的赞同票就通过，而且是对区块的终极确认，不像 POW 还要等好几个块。但缺点就是，如果投票通不过，就要一直等着。

Polkadot

波卡也是一个跨链的平台，它的中继链采用的是 Nominated Proof of Stake，既 “提名权益证明”。参与者通过质押成为提名人，然后从提名人里选举出验证者，验证者再负责出块。验证者的数量可以控制，民主集中，这样效率会高很多。NPOS 跟 DPOS 很像，都是选出少数被选中节点出块，但是 DPOS 选出来的都是大财阀，需要做大量质押。NPOS 更民主，草根更容易参政，而且验证者轮换也更频繁。

Algorand

前面提到，POS 共识的一个本质问题就是出块权由大家投票决定的，所以在出块前大家就知道谁是出块节点，这样容易被攻击；而出块节点也可以选择各种打包策略将自己的利益最大化。那如果有一种机制，可以随机的产生一个节点，这个随机性是不可以被轻易预测到，但可以是大家很容易验证的，那就可以采用这样的方式来选举出块节点了。Algorand 就找到了这样一个产生随机节点的方式。这种方法其实就跟 POW 的方式很接近了。大家都可以打包提交候选区块，但最后不是看谁最快算出题，而是通过一个真随机数，选出唯一的下一个出块。

Casper

Casper是以太坊 2.0 将要采用的共识方式，Casper有了权益质押，有了投票机制，但现在还是一个 POW 和 POS 的混合体，将来要慢慢发展成一个完全的 POS 协议。因为要对现有的基于 POW 的以太坊进行升级，它考虑更多的是链的可用性而非最终一致性。Casper出块还是会通过 POW，然后再由 POS 节点投票，投票的节点有点像是在赌博，可以随便投任何块，但是如果你没有投中最后被选中的块，会受到惩罚，所以最后大家都会趋向投最长的链上的一个块。