挖礦怎麼解決共識問題

1. 區塊鏈常見的三大共識機制

區塊鏈是建立在P2P網路，由節點參與的分布式賬本系統，最大的特點是「去中心化」。也就是說在區塊鏈系統中，用戶與用戶之間、用戶與機構之間、機構與機構之間，無需建立彼此之間的信任，只需依靠區塊鏈協議系統就能實現交易。

可是，要如何保證賬本的准確性，權威性，以及可靠性？區塊鏈網路上的節點為什麼要參與記賬？節點如果造假怎麼辦？如何防止賬本被篡改？如何保證節點間的數據一致性？……這些都是區塊鏈在建立「去中心化」交易時需要解決的問題，由此產生了共識機制。

所謂「共識機制」，就是通過特殊節點的投票，在很短的時間內完成對交易的驗證和確認；當出現意見不一致時，在沒有中心控制的情況下，若干個節點參與決策達成共識，即在互相沒有信任基礎的個體之間如何建立信任關系。

區塊鏈技術正是運用一套基於共識的數學演算法，在機器之間建立「信任」網路，從而通過技術背書而非中心化信用機構來進行全新的信用創造。

不同的區塊鏈種類需要不同的共識演算法來確保區塊鏈上最後的區塊能夠在任何時候都反應出全網的狀態。

目前為止，區塊鏈共識機制主要有以下幾種：POW工作量證明、POS股權證明、DPOS授權股權證明、Paxos、PBFT（實用拜占庭容錯演算法）、dBFT、DAG（有向無環圖）

接下來我們主要說說常見的POW、POS、DPOS共識機制的原理及應用場景

概念：

工作量證明機制（Proof of work ），最早是一個經濟學名詞，指系統為達到某一目標而設置的度量方法。簡單理解就是一份證明，用來確認你做過一定量的工作，通過對工作的結果進行認證來證明完成了相應的工作量。

工作量證明機制具有完全去中心化的優點，在以工作量證明機制為共識的區塊鏈中，節點可以自由進出，並通過計算隨機哈希散列的數值解爭奪記賬權，求得正確的數值解以生成區塊的能力是節點算力的具體表現。

應用：

POW最著名的應用當屬比特幣。在比特幣網路中，在Block的生成過程中，礦工需要解決復雜的密碼數學難題，尋找到一個符合要求的Block Hash由N個前導零構成，零的個數取決於網路的難度值。這期間需要經過大量嘗試計算（工作量），計算時間取決於機器的哈希運算速度。

而尋找合理hash是一個概率事件，當節點擁有佔全網n%的算力時，該節點即有n/100的概率找到Block Hash。在節點成功找到滿足的Hash值之後，會馬上對全網進行廣播打包區塊，網路的節點收到廣播打包區塊，會立刻對其進行驗證。

如果驗證通過，則表明已經有節點成功解迷，自己就不再競爭當前區塊，而是選擇接受這個區塊，記錄到自己的賬本中，然後進行下一個區塊的競爭猜謎。網路中只有最快解謎的區塊，才會添加的賬本中，其他的節點進行復制，以此保證了整個賬本的唯一性。

假如節點有任何的作弊行為，都會導致網路的節點驗證不通過，直接丟棄其打包的區塊，這個區塊就無法記錄到總賬本中，作弊的節點耗費的成本就白費了，因此在巨大的挖礦成本下，也使得礦工自覺自願的遵守比特幣系統的共識協議，也就確保了整個系統的安全。

優缺點

優點：結果能被快速驗證，系統承擔的節點量大，作惡成本高進而保證礦工的自覺遵守性。

缺點：需要消耗大量的演算法，達成共識的周期較長

概念：

權益證明機制（Proof of Stake），要求證明人提供一定數量加密貨幣的所有權。

權益證明機制的運作方式是，當創造一個新區塊時，礦工需要創建一個「幣權」交易，交易會按照預先設定的比例把一些幣發送給礦工本身。權益證明機制根據每個節點擁有代幣的比例和時間，依據演算法等比例地降低節點的挖礦難度，從而加快了尋找隨機數的速度。

應用：

2012年，化名Sunny King的網友推出了Peercoin（點點幣），是權益證明機制在加密電子貨幣中的首次應用。PPC最大創新是其采礦方式混合了POW及POS兩種方式，採用工作量證明機制發行新幣，採用權益證明機制維護網路安全。

為了實現POS，Sunny King借鑒於中本聰的Coinbase，專門設計了一種特殊類型交易，叫Coinstake。

上圖為Coinstake工作原理，其中幣齡指的是貨幣的持有時間段，假如你擁有10個幣，並且持有10天，那你就收集到了100天的幣齡。如果你使用了這10個幣，幣齡被消耗（銷毀）了。

優缺點：

優點：縮短達成共識所需的時間，比工作量證明更加節約能源。

缺點：本質上仍然需要網路中的節點進行挖礦運算，轉賬真實性較難保證

概念：

授權股權證明機制（Delegated Proof of Stake），與董事會投票類似，該機制擁有一個內置的實時股權人投票系統，就像系統隨時都在召開一個永不散場的股東大會，所有股東都在這里投票決定公司決策。

授權股權證明在嘗試解決傳統的PoW機制和PoS機制問題的同時，還能通過實施科技式的民主抵消中心化所帶來的負面效應。基於DPoS機制建立的區塊鏈的去中心化依賴於一定數量的代表，而非全體用戶。在這樣的區塊鏈中，全體節點投票選舉出一定數量的節點代表，由他們來代理全體節點確認區塊、維持系統有序運行。

同時，區塊鏈中的全體節點具有隨時罷免和任命代表的權力。如果必要，全體節點可以通過投票讓現任節點代表失去代表資格，重新選舉新的代表，實現實時的民主。

應用：

比特股（Bitshare）是一類採用DPOS機制的密碼貨幣。通過引入了見證人這個概念，見證人可以生成區塊，每一個持有比特股的人都可以投票選舉見證人。得到總同意票數中的前N個（N通常定義為101）候選者可以當選為見證人，當選見證人的個數（N）需滿足：至少一半的參與投票者相信N已經充分地去中心化。

見證人的候選名單每個維護周期（1天）更新一次。見證人然後隨機排列，每個見證人按序有2秒的許可權時間生成區塊，若見證人在給定的時間片不能生成區塊，區塊生成許可權交給下一個時間片對應的見證人。DPoS的這種設計使得區塊的生成更為快速，也更加節能。

DPOS充分利用了持股人的投票，以公平民主的方式達成共識，他們投票選出的N個見證人，可以視為N個礦池，而這N個礦池彼此的權利是完全相等的。持股人可以隨時通過投票更換這些見證人（礦池），只要他們提供的算力不穩定，計算機宕機，或者試圖利用手中的權力作惡。

優缺點：

優點：縮小參與驗證和記賬節點的數量，從而達到秒級的共識驗證

缺點：中心程度較弱，安全性相比POW較弱，同時節點代理是人為選出的，公平性相比POS較低，同時整個共識機制還是依賴於代幣的增發來維持代理節點的穩定性。

2. POC共識機制在挖礦業解決了哪些問題

主要解決了這4大問題：1、挖礦的門檻問題；2、設備問題；3、電費問題；4、網路安全問題。DNAT正是利用了這個。

3. 共識演算法4 (BFT)

拜占庭將軍問題（Byzantine Generals Problem），由Leslie Lamport、Robert Shostak和Marshall Pease，在其同名論文中提出（1982年）。拜占庭將軍問題現在主要指分布式對等網路節點間的通信容錯問題。在分布式網路中，不同的計節點通過交換信息達成共識。但有時候，系統中的成員節點可能出錯而發送錯誤的信息，用於傳遞信息的通訊網路也可能導致信息損壞，也可能存在惡意節點或被黑客攻破的節點故意發送錯誤的信息，從而導致系統無法達成共識或者達成錯誤的共識。（參考： BFT Wikipedia ）

拜占庭將軍問題提出後，有很多的演算法被提出用於解決這個問題。這類演算法統稱拜占庭容錯演算法（BFT: Byzantine Fault Tolerance）。BFT從上世紀80年代開始被研究，目前已經是一個被研究得比較透徹的理論，具體實現都已經有現成的演算法。

BFT演算法中最典型的是PBFT（Practical BFT）。PBFT是由Miguel Castro和Barbara Liskov於1999年提出。PBFT演算法解決了之前拜占庭容錯演算法效率不高的問題，將演算法復雜度由指數級降低到多項式級，使得拜占庭容錯演算法在實際系統應用中變得可行。PBFT在保證安全性和可用性的前提下，提供了 (n-1)/3 的容錯性。（細節請參考： PBFT ）

PBFT之後，很多進一步提升性能或魯棒性的BFT演算法先後被提出，例如Zyzzyva、ABsTRACTs、Aardvark、RBFT等等。近幾年，由於區塊鏈的熱度，無數針對區塊鏈應用場景優化過的BFT演算法也不斷涌現出來。雖然目前PBFT已經不能說是最好的，或最適合區塊鏈的BFT演算法。但是PBFT已經足夠好了，而且在實際應用中已經非常成熟。

在BFT共識機制中，網路中節點的數量和身份必須是提前確定好的。BFT共識機制無法做到PoW共識機制中實現的任何人都可以隨時加入挖礦。另外，BFT演算法無法應用到大量的節點，業內普遍認為100個節點是BFT演算法的上限。所以BFT演算法無法直接用於公有鏈，BFT演算法適合的場景是私有鏈和聯盟鏈。業內大名鼎鼎的聯盟鏈Hyperledger fabric v0.6採用的是PBFT，v1.0又推出PBFT的改進版本SBFT。這里再順便提一句，在可信環境下共識演算法一般使用傳統的分布式一致演算法PAXOS或者RAFT。

公有鏈使用BFT的一個例外是NEO，NEO使用了DBFT（delegated BFT）共識機制。DBFT共識機制下投票選出7個共識節點。這些代理節點是通過靜態選出的，並完全由項目方部署。這也是NEO被外界質疑過於中心化的原因。（參考： 早期公有鏈明星項目-NEO ）

BFT演算法和公有鏈合適的結合點在於基於BFT的PoS共識演算法（BFT based PoS）。基於BFT的PoS共識演算法要點有：一，網路節點通過鎖定虛擬資產申請成為區塊鏈系統的驗證者（或礦工）。系統驗證者的數量是動態變化的。二，系統從當前驗證者中隨機選擇一個人作為區塊提案人。三，系統驗證者對區塊提案進行投票表決，投票可能要進行多輪才能達成共識。每個人的投票比重與鎖定的虛擬資產成比例。

基於BFT的PoS的典型例子是tendermint（Cosmos採用了tendermint作為共識核心）。