区块链的本质远不止分布式账本，区块链如何安全地达成共识，以Pow为代表的共识机制为何不可持续，以及怎样设计一个可持续的共识机制？
2018年以来，沉淀了多年的区块链技术终于大火，而大家对于区块链的理解依然停留在分布式账本上。点对点、不可篡改、加密算法，可以说是区块链最原始的特性。其实对于区块链的理解也可以从多个角度展开，我们先从技术本质的角度来理解究竟什么是区块链。
首先区块链是一种存储数据的方式，其本质就是一个状态机和一个数据库。
1.状态机：表示状态及其转移的机器
状态，可认为是系统当前各方面指标的值，状态机则是指发生了一些指令，当前状态被改变到下一个状态。举个例子：我当前的状态是口袋里有十块钱，买东西支付了五块钱，结果就是口袋还剩下五块钱。当前的状态是：“口袋里有十块钱”，发生的指令是：“买东西这件事情”，下一个的状态是：“口袋还剩下五块钱”。
对于比特币来说，比特币的交易账单就是状态转移。
对于以太坊来说，智能合约允许更为复杂的状态转移规则，可以在触发条件满足的情况下，按照约定的规则进行状态转移。
说了那么多，大家是不是有点累了呢？那么，给大家讲个关于程序员的冷笑话吧～～～
老婆给一个做程序员的老公打电话说：“下班顺路买一斤包子带回来，如果看到卖西瓜的，买一个。” 当晚，程序员老公手捧一个包子进了家门……老婆怒道：“你怎么就买了一个包子？” 老公答曰：“因为看到了卖西瓜的。”
这个智能合约的条件是：“是否看到卖西瓜的”，状态转移的规则是：“如果没看到，买一斤包子；如果看到了，买一个包子”，状态的转移是：“程序员由本来买一斤包子的状态，因为触发了‘看到了卖西瓜的’这个条件，转变为只买一个包子”。
其实对于Genaro Network而言，还要再复杂一点，因为牵扯到网络中数据存储导致的状态改变：
2.数据库：按照数据结构来组织、存储、管理数据的仓库
数据结构：计算机存储数据的方式，常见的基本数据结构有队列、堆栈、链表、树、图……对于复杂系统，其数据结构也都是由基本的数据结构组合改编而成。在区块链当中，数据结构采用的是一个链表，链表的每个节点就是一个区块，一个区块是一颗梅克尔树，树上包含了若干交易记录。
（1）链表
（2） 区块
以下图为例，具体的交易记录为：B0、B1、B2……Bn，两两结合，不断向上计算哈希值，得到树根，也就是常说的“区块头”。
这实际上是双层结构。区块链之所以采用这样的“双层”数据结构，是因为每个区块内的交易相当于是并行，多笔交易被包含在一个区块中，增加了区块大小，在出块速度一定的情况下，增加了区块数据量，从而提高系统的性能。
如上图中D0,D1,D2,D3是由一名矿工计算，然后进行广播验证，其余矿工也可以一次验证四笔交易。
大家看到的移动端轻钱包就是利用了这个原理。轻钱包仅仅作为一个移动支付工具，是不能占用太大空间的，所以不可能保存全部节点数据，这时候就得用到以上原理，仅验证区块头（也就是之前所说的root值）就能确认交易是否存在。他能过滤掉大量不相关的数据，减少客户端不必要的下载量，同时实现去中心化验证。
这个原理叫简单支付验证（SPV，Simplified Payment Verification）。SPV充分利用梅克尔树结构，在寻找交易时，只需寻找区块头而不是整个区块，区块头只有80字节，每小时6个，一年也就4M大小，一般设备都能承载。
综上所述，区块链的本质是状态机和数据库。
同时区块链对于应用来说是一个分布式数据库，通过去中心化的方式集体维护一个数据可信的数据库。
那么问题来了，如何在一个去中心化的环境里，让多个完全陌生的网络节点来承认这个区块链的状态机和数据库呢？换句话说，如何设计这个系统的交易规则，才能让陌生的买卖双方，在没有任何第三方的情况下，产生信任从而完成交易呢？答案就是共识机制。
共识机制至关重要，同时也是区块链技术的核心。很大程度上决定了整个区块链系统节点间的相互信任程度，也决定了其他使用者对于区块链上的数据信任程度。一个区块链系统共识机制设计得好与坏直接决定了系统的工作效率、运行成本、安全性、稳定性，甚至毫不夸张地说，直接决定了系统存在的价值。
下面，我们开始探讨下一个话题 —— 如何设计可持续发展的共识算法。
所谓共识算法，就是每个节点对于本区块的正确性达成共识。
共识是一切交易的基础，达成共识越分散（参与度越高），其效率就越低，同时安全性也更高，因此也就越稳定；相反，达成共识越集中（参与度越低），其效率就越高，也就越容易出现独裁和腐败现象，同时安全性也就越低。如何平衡这些因素，使其具有应用价值，是我们值得探讨的重要话题。
以主流的POW(Proof of Work)共识机制为例，根据区块与一个随机数进行哈希运算，可简单理解为必须通过大量数学计算之后，才能将区块挂入区块链中。
为什么不能让矿工直接把区块挂上去呢？
在区块链当中，通常最长的链被认为是正确的链，所有矿工都选择最长的链来挖，才能确保链的唯一性。公有链作为一个完全开放的系统 —— 任何节点都可以来当矿工，其背后的设计哲学在于“作恶所付出的代价大于作恶所带来的好处，理论上来讲节点不会做恶”。传奇跑者普雷方丹也有一句名言：“你可以打败我，但你必须付出足够的努力与汗水”。如果矿工把区块直接挂到链上的话，那么攻击者就可以随意分叉，然后疯狂的把这条链加长，使人误以为这才是正确的区块链。
在POW共识机制中，攻击者必须进行工作量证明才能把分叉链加长，必须付出比全网更大的算力（51%以上）才能跑的最快，同一时间形成更多区块，让人误以为这是最长的链，从而完成攻击，但这显然是不可能的。
这个系统的设计逻辑没有问题的，但在POW的过程中，需要消耗大量无用的算力与能源。
首先，POW所需的算力不断增大，比特币为了保证每10分钟产生一个区块，同时在2140年产生一共2100万枚的比特币，就必须在每2016个区块之后进行难度升级，所以挖矿设备也需要不断的进行换代才能满足需求。从CPU，到GPU，再到FPGA挖矿等等，耗电量也与日俱增。
有英国的研究表明，2017年用在“挖矿”上的电量超过29.05太瓦时（1太瓦时为10亿度电），超过了全球159个国家的年均用电量。爱尔兰全国（477万人口）一年的用电量也只有25太瓦时的电力。而今年的最新研究表明，这一数字已经接近哥伦比亚全年的用电量，已经达到59.60太瓦时。可以推算，如果没有在共识机制上的彻底变革，仅仅用于完成POW计算的电力花费将迟早超过全球任何一个国家的全年用电量。更何况，电力能源属于二次能源，为了产生电力需要花费的一次能源（如煤炭、石油、水力、天然气）的消耗更是难以计数。长此以往，在利益的驱动下，假如未来全球大多数的能源都被用来挖矿，那将会造成世界性的能源危机。
其次，主链上同一时间只会有一个区块上链，这个由计算出来的矿工获得，但是其他参与计算的矿工虽然消耗了大量算力，却没有任何收益，从而浪费了大量能源资源。这些计算并不是有实际意义的计算，换句话说：以比特币为代表使用POW共识机制的公有链，本质上只能起到账本的作用，并不具备实际的功能，其所做的大量计算也都是没有实际作用的。
起初我们在探讨设计Genaro共识机制的时候，就明确一点：要做有意义的计算。也就是说，公有链除了做账本，还应该要完成互联网中的某些其他功能。世界上本来就有很多东西需要大量的算力，为什么一定要做没有实际意义的哈希计算呢？为什么不计算蛋白质的分子结构，计算基因工程，计算机器学习呢？所以说，减少能源的消耗，同时完成有意义的计算，是设计的共识机制关键所在。
但是这两点同时实现极为困难。第一，如果消耗的资源减少，安全性就会降低，因为攻击者越容易将分叉链让大家误以为是主链；第二，如何将有意义的计算与区块链系统有规律地连接起来。比如说，如果做机器学习的计算，稳定的Data Set从何而来，计算的奖励将如何分配，这些都是需要精心设计的地方。
在这样的一个背景下，POS逐渐获得了更多的认可，几乎完全不需要进行计算，从而大大降低了能源资源。
>>> POS（Proof of stake）：权益证明。如果把POW比作意大利国家队稳健的防守体系，那么POS则是拥有巴西队野心，以降低防守力来增加攻击性的共识机制。
POS完全不需要进行计算，而是需要证明者对某些数量的权益展示所有权。证明节点对区块的结果进行押注，如果错误则丧失押注，如果正确则赢得奖励。
然而，无论是在工业界还是学术界，POS都是一把双刃剑，在提升性能的同时，很难保证其安全性。最著名的两个问题是：Nothing at stake以及Long range attack。以太坊在POS的过程中也遇到了诸多困难。
>> Nothing at stake：如果攻击者去攻击当前的链，挖矿节点的保证金已经押在了两条链上，他不需要去判断哪条是正确的链，哪条是分叉出来的链，而是选择都去支持，从而导致攻击者得逞。无论攻击者是否得逞，节点选择全部挖的策略也可以保障自己的收益，所以只要理性节点不是“token大户”，都会去支持攻击者。
这个问题已经有人提出了一些解决方案，例如Vitalik提出的“错误惩罚”，如果一个节点在发生分叉时选择都押注，如果押注超过一条链或者押注了错误的链会被接受惩罚。
>> Long range attack则是更为棘手的问题：可以理解为PoS中的女巫攻击。攻击者不是去fork现有的链，而是回到初始阶段的链，造一条更长的新的链，让网络误以为是主链。因为POS共识中节点的增长速度没有限定（比特币有限定，每十分钟产生一个区块），攻击者可以用很短的时间造一条更长的链。一个区块链系统，一开始不会有很多矿工，前期的区块都是少数矿工挖的，如果这些矿工互相串通好，联合起来回到早起阶段，因为那个阶段只有他们可以挖接下来的区块，他们可以很容易联合发起攻击。
目前Long range attack没有很好的解决方案，一些客户端（包括casper）试图通过限定更改区块的长度来解决这个问题，比如NXT的处理方式为超过720个区块的不能被更改。但这只是降低了问题发生的概率，或者说转化了问题，会导致“weak subjectivity”。
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