區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心，是構(gòu)建多方信任的基礎(chǔ)，當(dāng)前幾大主流共識(shí)算法卻或在資源浪費(fèi)、或在對(duì)抗欺詐節(jié)點(diǎn)、或在效能效率等方面不盡如人意，甚至出現(xiàn)中心化傾向。共識(shí)算法如何回歸區(qū)塊鏈民主化的本質(zhì)？如何支撐起日益龐大的應(yīng)用需求？這事關(guān)整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)走向何方……

銀行業(yè)是率先入場(chǎng)區(qū)塊鏈的行業(yè)，其相關(guān)從業(yè)者也將目光大舉轉(zhuǎn)向區(qū)塊鏈，諳熟整個(gè)金融市場(chǎng)體系的他們，對(duì)這個(gè)新技術(shù)也許會(huì)多一些更實(shí)用宏觀的角度。洪蜀寧，曾長(zhǎng)期任職中國(guó)人民銀行南京分行，現(xiàn)專注于數(shù)字貨幣、區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用研究，已從前人行專家成功“跨界”為公認(rèn)的區(qū)塊鏈行業(yè)資深專家。2011年以發(fā)表國(guó)內(nèi)第一篇、也是體制內(nèi)第一篇研究比特幣的學(xué)術(shù)論文《比特幣：一種新型貨幣對(duì)金融體系的挑戰(zhàn)》引發(fā)巨大反響，直至今日其中觀點(diǎn)仍被認(rèn)為極具前瞻性。隨后，他又接連發(fā)表一系列關(guān)于數(shù)字貨幣對(duì)金融業(yè)影響的文章，以對(duì)金融市場(chǎng)的把握和數(shù)字貨幣研究的深入成為權(quán)威布道者。這一次，他將目光瞄準(zhǔn)了共識(shí)算法，直指現(xiàn)有共識(shí)算法面臨的三大問題：“無利害關(guān)系”、“遠(yuǎn)程攻擊”和“馬太效應(yīng)”，到底誰更接近區(qū)塊鏈Decentralization、公平、普惠的最初理想和目標(biāo)？讓我們一探究竟。

區(qū)塊鏈共識(shí)算法實(shí)現(xiàn)Decentralization的演化路徑

從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)角度來看，區(qū)塊鏈技術(shù)是一種全新的分布式系統(tǒng)，但區(qū)塊鏈與傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)最根本的區(qū)別就在于其Decentralization特性。所謂Decentralization，是指沒有一個(gè)中央控制方能夠控制區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，既不能停止它，也不能操縱其中的數(shù)據(jù)。Decentralization特性為區(qū)塊鏈帶來三個(gè)好處：容錯(cuò)性、抗攻擊力和防合謀，從而使得區(qū)塊鏈成為一種獨(dú)立的、可信的、抗壟斷的技術(shù)體系，為在其之上存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移價(jià)值與信任提供了技術(shù)保障。

為實(shí)現(xiàn)這種Decentralization特性，區(qū)塊鏈引入了共識(shí)算法，在無須信任的各參與方之間建立了進(jìn)行可信計(jì)算的基礎(chǔ)。所謂共識(shí)算法，實(shí)際上是一種協(xié)議，當(dāng)各參與方均按照協(xié)議進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可保證各方所進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果是一致的，如果有（少數(shù)）人不遵守協(xié)議提供錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果（拜占庭節(jié)點(diǎn)），其計(jì)算結(jié)果會(huì)被其他人拒絕，只有多數(shù)人達(dá)成一致的計(jì)算結(jié)果才會(huì)被記錄進(jìn)區(qū)塊鏈賬本之中。值得一提的是，參與者是否遵守協(xié)議完全由其自己決定，并不受外力的強(qiáng)制。

最早的區(qū)塊鏈共識(shí)算法是比特幣所采用的工作量證明（Proof of Work, PoW）算法，通過反復(fù)進(jìn)行無法預(yù)測(cè)結(jié)果的哈希計(jì)算（俗稱“挖礦”）來達(dá)到隨機(jī)選擇區(qū)塊創(chuàng)建者的目的。工作量證明算法簡(jiǎn)單、安全、可靠，對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量沒有限制，除51%攻擊外幾乎沒有漏洞，像比特幣這樣容納了巨額財(cái)富的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)需要它所提供的最高安全級(jí)別保護(hù)。但由于挖礦需要消耗巨大的電能，因此工作量證明算法不適用于低價(jià)值系統(tǒng)。

區(qū)塊鏈共識(shí)算法實(shí)現(xiàn)Decentralization的演化路徑

另一種常見的共識(shí)算法是拜占庭容錯(cuò)算法（BFT），在惡意參與者不超過1/3的情況下可以提供高效、確定性的共識(shí)結(jié)果，主要缺點(diǎn)有兩個(gè)，一是當(dāng)參與者數(shù)量較多時(shí)性能會(huì)非?？斓叵陆?，從而實(shí)際上不可用，二是無法防范分身攻擊，需要明確參與者的身份，防止一個(gè)人（機(jī)構(gòu)）部署多個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此BFT共識(shí)算法主要用于小規(guī)模的聯(lián)盟鏈，不適用于公鏈。

區(qū)塊鏈共識(shí)算法實(shí)現(xiàn)Decentralization的演化路徑

為解決上述問題，出現(xiàn)了權(quán)益證明（Proof of Stake, PoS）共識(shí)算法。將工作量證明中的哈希計(jì)算改為質(zhì)押數(shù)字貨幣（即權(quán)益），既解決了工作量證明算法消耗大量算力的缺陷，又解決了BFT算法的分身攻擊問題。權(quán)益證明用幣價(jià)下跌的威脅捆綁了參與者的切身利益，起到了與工作量證明機(jī)制類似的作用。但權(quán)益證明也面臨著3大問題：一是“無利害關(guān)系”（Nothing-at-stake attack）問題，攻擊者可以只抵押一次權(quán)益但同時(shí)在所有分叉上出塊；二是“遠(yuǎn)程攻擊”（LongRange Attacks）問題，攻擊者可以從任意長(zhǎng)度的距離建立一個(gè)分叉而不用擔(dān)心權(quán)益被削減；三是“馬太效應(yīng)”問題，也即財(cái)富會(huì)愈來愈集中。針對(duì)這些問題目前有幾種改進(jìn)的手段：

1、DPoS（BitShare, Steem, EOS）

以EOS的DPoS算法為例，首先所有用戶通過PoS算法投票選出21個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)，再在超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間用BFT算法生成區(qū)塊。這樣結(jié)合PoS和BFT算法的優(yōu)點(diǎn)，就避免了傳統(tǒng)PoS算法的“無利害關(guān)系”和“遠(yuǎn)程攻擊”問題，但卻帶來了另一個(gè)致命的問題：由于超級(jí)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)營(yíng)者及其密切支持者往往占有了大量的EOS幣，很難被普通用戶投票選下去，從而加劇EOS的中心化傾向，與區(qū)塊鏈的Decentralization本質(zhì)相抵觸。因此，DPoS算法只是個(gè)折中方案，不是好的共識(shí)算法。

區(qū)塊鏈共識(shí)算法實(shí)現(xiàn)Decentralization的演化路徑

2、Casper（以太坊）

以太坊推出的Casper共識(shí)算法則另辟蹊徑，引入了懲罰機(jī)制，將未遵守共識(shí)算法、在多個(gè)分叉上出塊的節(jié)點(diǎn)所質(zhì)押的以太幣處全部或部分沒收，從而解決無利害關(guān)系問題。與此同時(shí)，通過結(jié)合工作量證明算法、定期更新區(qū)塊的終結(jié)狀態(tài)，又解決了遠(yuǎn)程攻擊問題。這是一個(gè)非常精妙的構(gòu)思，但是否能真正實(shí)現(xiàn)還有待觀察。

3、基于VRF的PoS算法（Algorand, Dfinity，Ouroborous）

這類共識(shí)算法思路與DPoS類似，但出塊節(jié)點(diǎn)不是由用戶投票選出來，而是通過VRF（Verifiable Random Function，可驗(yàn)證隨機(jī)函數(shù)）算法從所有節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)抽取若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后用BFT算法生成區(qū)塊。VRF可以保證無法預(yù)測(cè)誰下一輪會(huì)被抽中，這樣就無法作弊。這類算法由于其復(fù)雜性，尚處于實(shí)驗(yàn)階段，而且有一個(gè)通病就是VRF在網(wǎng)絡(luò)擁堵情況下無法工作，因此應(yīng)用于公鏈目前還有難度。

4、DSC（Penta）

上述三類PoS算法都無法解決“馬太效應(yīng)”問題。Penta（PNT）提出的DSC（Dynamic Stake Consensus）共識(shí)算法吸收了各種PoS算法的優(yōu)點(diǎn)，并創(chuàng)造性地提出了超級(jí)議員的概念模式，即將參與記賬的節(jié)點(diǎn)分為議員和觀察員兩類，議員需要質(zhì)押大量的代幣才能獲得資格，而觀察員則只需質(zhì)押少量代幣即可。觀察員的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于議員的數(shù)量，議員和觀察員均由用戶通過PoS算法投票選出。系統(tǒng)定時(shí)通過散列抽簽算法（RSA）挑選議員和觀察員組成若干共識(shí)組，每個(gè)共識(shí)組都由少數(shù)議員和多數(shù)觀察員組成。每個(gè)共識(shí)組進(jìn)行BFT共識(shí)，生成各自的候選區(qū)塊，最后再通過散列抽簽算法從候選區(qū)塊中隨機(jī)選取正式區(qū)塊。

區(qū)塊鏈共識(shí)算法實(shí)現(xiàn)Decentralization的演化路徑

DSC共識(shí)算法使得無法持有大量代幣的普通人也有機(jī)會(huì)參與記賬、獲取利潤(rùn)，以人數(shù)優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)資金劣勢(shì)，從而避免將“挖礦”變成只有富人才能參與的游戲，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈Decentralization、公平、普惠的最初理想和目標(biāo)，相信這種優(yōu)秀的理念會(huì)逐漸被其他公鏈所接受和模仿。