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，但安全性越高，因此也越稳定；相反，达成共识越集中（参与度越低），效率越高，也越容易出现独裁和腐败现象，安全性越低。

以主流 PoW(Proof of Work) 为例，根据区块头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？

在区块链中，最长的链被认为是正确的链，所有矿工选择最长的链来挖，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“作恶得到的好处小于付出的代价，所以理性节点不会做恶”。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。”如果矿工可以直接把区块挂到链上，那么攻击者就可以分叉，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 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，但在 PoW 的过程中，需要消耗大量无谓的算力与能源。

首先，PoW 所需的算力不断增大，比特币为了保证每 10 分钟出一个块，同时在 2140 年产生 2100 万枚全部比特币，就必须每 2016 个块之后进行难度升级。所以挖矿设备也不断的进行更新换代才能满足需求。从 CPU 挖矿，到 GPU，到 FPGA 挖矿等等，耗电量也与日俱增。

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，浪费了大量计算资源。

最重要的一点，这些计算并不是有实际意义的计算，换句话说：以比特币为代表的使用 PoW 共识的公有链，本质上只能起到账本的作用，而不具备实际的功能，所以其所做的计算也都是没有实际作用的。

所以说，减少能源的消耗，同时完成有意义的计算，是共识机制设计的关键所在。但是这两点同时实现极为困难。第一，如果消耗的资源减少，安全性就越低，因为攻击者越容易将分叉链让大家误以为是主链；第二，有意义的计算如何有规律的与区块链系统连接起来，比如如果做机器学习计算，稳定的 Data Set 从何而来，计算的奖励如何分配，都是需要精心设计的地方。在这样的一个背景下，“激进”的 PoS 逐渐获得了更多的认可，几乎完全不需要进行计算，从而大大降低了能耗。

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 则拥有巴西队野心，以降低防守力，来增加攻击性。

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 （长距离攻击）。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 fork 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，而是都支持，从而导致攻击者得逞，而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 PoW 有限定，10 分钟出一个块），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块，他们可以很容易联合发起此攻击。

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”。

事实上，已经有很多 PoS 算法试图解决上述问题：

Ouroboros：一个可证明安全的 PoS 区块链协议，Ouroboros 加入了权益证明算法，定义了节点对账本状态达到共识的方法，它是第一个宣称进行严格的安全分析的 PoS 类型的区块链协议。

Ouroboros 在一定条件下的实践验证中，解决了各种攻击，包括双花攻击、交易拒绝攻击、51% 攻击、无利害关系、去同步攻击以及其他攻击。某些前提下，它被科学证明安全的。它在亚马逊云中运行了基准测试，这些测试展现了 Ouroboros 的权益证明区块链协议，在性能方面的优势。

不过经常回头验证的模式也有问题。多次回头，一方面影响 TPS，一方面会增加更多的通信，另一方面还很难验证回头 stake 的是否都为正确。

DPoS，相比于普通的 PoS，多了一个选举机制，类似议会制度，不仅币数很关键，声望更加关键，从而实现速度与安全性的提高，DPoS 希望通过投票来筛选信任节点，解决 PoS 的安全隐患。

类似的，还有 PoP,PoC：

PoP (Proof of Participation)，基于账户参与度的算法，PoP 将 PoI 和 DPoS 的思想结合，既能确保对设备的公平性，又拥有社区的共识，同时减少了算力浪费。让记账这件事情更经济效率 , 从而支撑起更多大规模的协作体系。

PoC (Proof of Credit)，信用共识机制 , “PoC”继承了“PoW”通过计算来实现账本安全的特性，但同时提出的非常有创新的一点“利用用户的信用值”作为挖矿的准入门槛，这样就会积累有效的节点为网络加密计算。同样“PoC”也相对“PoW”在社区发展中公平了很多，在参与挖矿的时候，是根据自己的信用值来判断是不是有共识（挖矿）资格。在达到共识的信用值后，为了防止节点的违规行为还必须提交一定的保证金额，才能参与共识，共识网络中加入了简单的智能合约，作为共识的契约来约束每个节点参与共识，如果有违规，会付出很大的惩罚。这也保证了节点会正常参与共识，用来提高网络的安全性。

但目前，没有一种 PoS 是被证明和 PoW 一样安全的，在设计上尽可能的通过制定出块规则与奖励惩罚机制来解决 nothing at stake 等问题，但本质还是不安全的。比较可行的方法是进行一个折中，PoW+PoS 混合共识机制。

例如第一个使用 PoS 的项目：peercoin。peercoin 是第一个 PoS 算法，于 2012 年提出，PPCoin 的最大创新是其采矿方式混合了 PoW+PoS 方式，而 PoW 部分加入币龄的概念，越早买优势越大，相比与纯 PoS 或者纯 PoW，达到节能和安全的平衡。

类似的还有 CFFG，PoW+PoS 混合模型，由 Vitalik Buterin 带领研究 Casper the Friendly Finality Gadget(CFFG)，需要进行两周期投票，并且需要质押 TOKEN。第一次是 PoW，超过 2/3 即可验证成功，第二次是 PoS，超过 2/3 即可验证成功，然后确认区块，验证者即可获得收益。验证者是被激励着集合在权威链上的，因为如果他们持续在不同的链上进行投票将会受到惩罚。验证者不仅仅会为双重投票而受罚，也要为在不正确的链上进行投票而受到惩罚。

Tendermin，2014 年，由 Jae Kwon 带领研究，BFT 与 PoS 混合机制，假设少于 1/3 的验证者是拜占庭，Tendermint 保证安全永远不会被破坏——也就是，验证者（2/3 以上）永远不会在同一个高度提交冲突的区块。因此，基于 Temdermint 的区块链永远不会分叉。Tendermint 的设计决策偏向于安全性和不可改变性。但这样的混合共识机制，虽然降低了能耗，但依然没有本质上解决 PoW“浪费不必要能耗”的问题。为了设计可持续发展的共识算法，需要同时做到以下两点：找到一个低能耗、有实际效用的算法将此实际效用作为 PoS 的防御机制