NO.361 POW、POS、DPOS共识机制学习笔记

NO.361 POW、POS、DPOS共识机制学习笔记

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2018.03.27 20:13*字数 3407 阅读 69 评论 5 赞 2

中本聪于2009年1月3日在赫尔辛基的一台服务器上挖出了比特币。在我看来，比特币最神奇的地方在于它的共识机制。 因为共识的存在，人类才能完成大规模的协作，取得超越个人的成果和影响。

分布式系统或P2P网络中的节点可谓一盘散沙。 在这种节点非常分散的情况下，解决信息传递过程中的可信度问题是极其必要的。 如何确定别人发给我的信息是真实准确的信息，而不是被恶意节点篡改过的信息？ 如何保证输入信息与输出结果相匹配，多年来一直是计算机领域的难题，即“拜占庭将军问题”。

为了解决“拜占庭将军问题”，各种共识机制应运而生：

选择不同的共识算法会对区块链上的应用产生更大的影响。 不同的区块链技术一般会选择不同的共识机制，这也与区块链技术本身的价值主张有关。 部分区块链应用可能面向公链，面向开放网络； 一些区块链应用是节点有限的联盟链，追求高性能和高吞吐量，他们选择的共识算法肯定不同。 先从最基本的共识机制说起：

1.战俘

POW是最早的共识机制，其代表当然是比特币。 我想中本聪设计POW的初衷肯定是希望每个人都有平等获得比特币的权利，完成最大限度的民主和去中心化，虽然挖矿和记账是按照人性的逐利本性设计的。 却万万没想到，水能载舟，能覆舟。 逐利本性一旦被激发，就会一发不可收拾。 为了获得更大的利益，人们开始建造越来越中心化的矿场。 矿池和矿池采用联合挖矿的方式获取收益，这在一定程度上背离了比特币的初衷。 此外，中心化矿场也意味着它们更容易受到监管机构和政府机构的控制。

我觉得把POW的工作原理解释的最清楚的是唐强，无私推荐他的两篇文章：

矿工挖的不是硬币，而是护城河

不战死也能达成共识

像概念、名词这样的东西，越少越好，越简单越好。 不然认知门槛会无缘无故的提高。

挖矿，我的理解是帮助比特币网络记录数据的动作； 矿机的发展历史经历了CPU/GPU/ASIC芯片时代。 这一系列的迭代无非是为了更高效地挖比特币。

CPU（Central Processing Unit）是计算机的主要执行设备。 它根据程序代码控制所有其他组件的运行。 CPU可以进行各种数学运算，也非常适合快速的任务切换和逻辑判断。

中本聪最初的想法是一个 CPU 和一种计算能力。 由于个人电脑的普及，大多数人都可以参与到挖矿的行列中，帮助维护一个共同的账本。

GPU（图形处理单元）是计算机视频渲染系统的一部分。 GPU类似于劳动力。 GPU虽然也可以做数学计算，但它的主要设计目的是进行视觉图形处理，而不是执行者的角色。 图形处理是很多重复性的工作，因为它是按计划处理屏幕上大量的像素点，为了更高效的计算，图形处理器的巨大优势是可以执行大量的重复性劳动以太坊支持pow共识算法吗，而不是快速的任务切换。

一个形象的比喻是，CPU就像是一群执行任务速度很快的精锐士兵，而GPU就像是一大群速度相对较慢的笨蛋。 角度可能更有效。

后来，人们仍然不满足于GPU的计算能力，开始投入更多的人力、物力、财力进行“军备竞赛”。 ASIC芯片来了，它是为特定用途而设计的集成电路。 相当于一支训练有素的特种兵，每个环节都经过精心设计，只为追求最大的输出效率。

这场“军备竞赛”到底是为了什么？ 世界的繁荣都是为了利益，那么挖矿的回报是什么？

挖矿收益分为两种：

区块奖励是指矿工记录一个新区块的奖励。 只有真正记账的矿工才能获得奖励，但谁有记账权呢？

这取决于计算能力。 算力越强，就越有机会在十分钟的“相扑”比赛中获胜，获得记账权。 奖励每 210,000 个区块（约 4 年）减半。 从2009年的创世区块到今天，区块奖励从50下降到12.5（2013年第一次减半，第二次减半）。

对于现有的比特币，每笔交易都需要消耗一定数量的比特币作为GAS（gas fee）。 这笔 gas 费是发给矿工的小费，以感谢他们的辛勤工作和维护账本。

每种共识机制的出现都有其特定的历史环境和特定的需求。 POW是共识机制的鼻祖。 它出现在2008年全球金融危机的背景下，致力于解决央行不可避免的滥用权力问题。 造成了法币的超发和通货膨胀的问题。 但是经过九年的发展，我们也看到了POW机制的弊端：

摩根士丹利分析师此前在一份报告中表示，2018 年虚拟货币挖矿可能消耗 140 太瓦时的电力，约占全球电力需求的 0.6%。 这可能看起来不是很多，但这意味着比特币挖矿的用电量已经超过全球至少 159 个国家的年用电量。

中国曾经占据全网80%的算力资源。 很大一部分原因是中国拥有低成本的电力资源。 早些年，有的矿场甚至偷电来挖矿。 中国的大部分矿山位于新疆、内蒙古、山西和四川，那里有便宜的火电和水电。 随着国家监管趋严，国内大量矿工背井离乡，开始在加拿大、冰岛、俄罗斯等地开矿。

现在链圈的创业团队总是喊着TPS，TPS到底是什么？

TPS又称Transaction Per Second，如果每秒TPS并发数过低，容易造成网络严重拥堵，导致区块链无法在高价值、高并发的业务领域落地。

比特币的TPS=7以太坊支持pow共识算法吗，即每秒只能处理7笔交易。 此外，比特币每十分钟产生一个区块，即确认一笔转账需要十分钟。 一般连续产生6个区块，也就是1个小时左右，才认为你的转账在链上已经比较稳定，不容易被篡改。 十分钟，如果是跨境支付，相比传统的T+2、T+3到账时间，大大缩短了。 但是如果做一些面向消费者的应用，是远远不能满足高频消费的需求的。 当然，目前比特币上有很多技术，比如微支付通道、闪电网络、隔离见证等，来提高比特币的吞吐量和交易确认时间。

比特币很好的解决了“拜占庭将军”问题，但是在POW共识机制中，有一个前提，就是大部分的节点，至少51%的节点应该是“好人”。 否则就会出现51%算力攻击。 事实上，这样的风险已经存在。 排名前三的矿池BTC.COM、Antpool、ViaBTC已经占据了全网算力的52.4%。 如果他们想联手篡改数据或分叉比特币，将影响比特币系统的稳定性。

2. 收款机

POS共识机制是在人们对POW日益中心化的算力分配感到担忧时诞生的。 虚拟货币爱好者开始研究另一种共识机制——POS（Proof of Stake）：权益证明机制。

对于验证者/节点的奖励，不是通过算力挖矿，而是通过持币产生利息。 这里需要引入一个概念，叫做---币龄，币龄=币量x持有天数。 这是一个根据您持有货币的数量和时间向您支付利息的系统。 当你赚取利息时，你所有的币龄都会清零，你的持币时间将从0重新计算。

Blackcoin是历史上第一个纯POS数字货币。 首创快速挖矿+低分红发行模式。 发行前7天采用Scrypt算法挖矿，第8天进入纯POS阶段。 ETH 目前正在按照这个思路进行从 POW 到 POS 的转换过程。

PoS挖矿和PoW矿机挖矿一样，可以维护区块链的增长和安全。

POW共识也可以理解为一种赌注机制：矿工根据它选择一个区块进行挖矿，即赌这个区块会成为主链的一部分； 如果投注正确，他可以获得奖励，如果投注错误，他将失去电费。 只要所有矿工将他们的计算能力都放在同一条链上，从而使该链拥有最多的工作，共识就是安全的。

以以太坊为例，Casper协议下的POS共识机制可以解决早期POS无惩罚机制的问题。 因为Casper协议要求验证者通过抵押保证金（ETH）来押注共识结果。 共识结果是通过验证者的投注情况形成的：验证者必须猜测其他人将投注在哪个区块上获胜，并且也投注在这个区块上。 如果赌对了，他们会拿回押金和交易费，也许还有一些新铸造的货币； 如果赌注没有很快达成一致，他们只会拿回一部分押金。 因此，经过几轮之后，验证者的投注分布将会收敛。

3.DPOS

可以说，DPOS是POS共识机制概念的一种变体。 之所以单独说明，主要是因为应用DPOS共识机制的明星项目太多。 最著名的是BM的EOS。 大师之前的两个项目Bitshares和Steem也是用的这个机制。

DPOS让每个持有代币的人都可以通过投票选出验证者来行使自己的权利，并利用技术实现民主治理。 当然，我们难免会遇到“选民冷漠”的问题，但我相信，通过将利益分配给每一位选民，让每一位代币持有者都能获得系统良好发展带来的红利，一定会激发人们的积极性。参与“治理”。 相对于靠算力来比拼“谁更厉害”的POW机制，比特币矿工群体正在逐渐远离社区，DPOS在很大程度上将权利重新赋予了每个社区成员。 也就是说，真正关心项目的人。

近期，EOS正在紧锣密鼓地进行全球超级节点的选举。 在EOSGO上可以看到节点选举的相关信息。 想了解或参选的朋友可以看看这篇文章。

能够见证、陪伴、参与一个项目的发展，真的很有意思。 这是我长大后第一次经历民主选举。 （下图为全国统计的EOS超级节点竞选团队情况）

国家统计EOS超级节点竞选团队分布