囚徒戈多第4篇文章，阅读需要5分钟
这或许是全网解释区块链的价值核心--共识机制最详细的文章。
前言
区块链起源于比特币，发展于以太坊。想对区块链有系统性的认知，最好先熟知比特币和以太坊的知识。这是我从比特币和以太坊写起的原因。
而对区块链项目来说，共识机制是其根本价值所在。共识是区块链应用落地的基础，指的是参与者如何在此系统中进行协作。所以，本文希望能对比特币和以太坊的共识机制做总结，帮助大家更好地认识区块链的价值。
正文
初遇比特币，很多人看到的是一个周身被贪婪、欺骗所围绕，充满暴戾与丑闻的事物。
而当有人试着吹散泡沫，探寻本源时，他们会为比特币所构建的“共识”所折服。感觉像是走入一个全自动化工厂，每个处理事情的节点，都按照既定规则运转。
从广义上讲，共识是一种社会协作方式，可在不同领域应用，提升效率，是比特币区别于“郁金香”、“密西西比”等泡沫事件最本质的不同。
另一方面，比特币共识并不完美。由于中本聪的原意是创造一种“钱”，所以在CAP原则（指的是在一个分布式系统中，一致性Consistency、可用性Availability、分区容错性Partition tolerance，三者不可得兼）框架下，他选择了一致性和分区容错性，弱化了可用性，使比特币共识在扩展应用时，遇到了难题。
基于此，有人试着去研究不同的共识机制，弥补比特币在应用性上的不足。
以太坊社区是其中最著名的一群人，他们正尝试把权益证明POS引入到以太坊中，并将此计划命名为Casper（取自同名电影，中文译为《鬼马小精灵》）。
本文将围绕比特币工作量证明POW与以太坊权益证明计划Casper展开叙述。
比特币工作量证明POW
起初，中本聪想创造一种提前约定好发行机制，并且一旦发行，任何人都无法操控的货币。这样就避免了有人因一己私利，通过控制货币发行量，变相盘剥民众利益。
为了达成目的。首先，中本聪将比特币总量设定在2100万个，并利用动态函数，规定每10分钟产出一定数量。这2100万个币，将于2140年全部流通于世。
其次，比特币交易记录不受任何数据中心控制，而是利用点对点技术（P2P），让用户之间直接转账，过程就像用微信互传文件一样。
为了维护系统正常运行，中本聪将新产出的比特币与转账手续费，奖励给记账参与者（矿工，又称节点）。干活的人得到了奖励，这样便有人心甘情愿的为系统付出了。
为了不出差错，中本聪需要采取一套运行规则来使系统符合以下原则：
1. 结果一致。每个节点记录的全网交易记录是一致的。
2. 不可篡改。任何人无法篡改交易记录。
3. 有效率。货币系统工作效率高。
4. 可持续。货币系统可一直运行下去。
而用以保证系统正常运行的规则，便是共识机制。
比特币共识机制是如何运转的呢？
当用户A给用户B转账时，节点（包括AB自己）的比特币客户端，会收到这一信息。
同时，所有参与者会在客户端内，利用计算设备（矿机）每隔10分钟计算一道“哈希难题”。这道难题出现时间及难度，受动态函数控制，以保证10分钟间隔。
这个过程被称作工作量证明（POW）。
率先计算出正确结果的节点，将根据代码审查交易信息是否属实，将包括AB用户在内、一定时间段内的转账信息，打包在一起确认（打包成“块”），并将当前的“块”，连接到此前的“块”上，生成“区块链”，并同步（广播）至全网所有比特币节点。
此时，A给B的转账交易会判定为有效。
记账节点获得新产生的比特币及转账手续费，作为奖励，并开始新一轮的哈希难题计算。
此外，记账结果以“最长链”为准。若有2个参与者同时完成工作量证明，并打包区块，则他俩会开始“竞赛”，谁最先产生新的区块，就以谁为准。
工作量证明机制（POW）使每次参与记账的节点是唯一的，计算结果会被广播至全网且以最长链为准，这保证了全网节点交易记录是一致的。
此外，在记账时，节点同时会检查与该交易有关的、所有地址的“未被花费的余额”（UTXO）。比如，检查A是否有未被花费的余额，则需检查A是否收到过更早的转账，以此类推，直到“创世交易”。
理论上，只要“创世交易”不变，当前每个人未被花费余额就是确定的。
创世交易不变，加上交易记录分布式存储，使得任何人无法篡改交易记录。
比特币生态
能源消耗与“下议院悲剧”
事实上，比特币为了保证系统一致性，牺牲了可用性，并引出一系列问题。
首先，比特币不是有效率的。
一方面，受到大小的限制，每个“块”包含4000条交易数据，按10分钟的生成时间换算，相当于每秒处理6.67条交易，以至比特币的全网未确认交易数一度达12134笔，这对货币来说是不合格的。
另一方面，工作量证明机制消耗大量无谓资源。每次打包成块时，所有节点分别计算哈希难题，而最终有资格记账权的节点却是唯一的。其余节点所做工作皆是浪费。
此外，为了有更大概率获得记账权，人们发明了专门的矿机来提高算力。而矿机在计算哈希难题过程中，消耗大量电力。据统计，目前全球比特币矿场年耗电量，超过捷克等全球159个国家。
其次，比特币或许不是可持续的，独特的发行机制或许会让比特币陷入“下议院悲剧”。
由于中本聪规定，每产出21万个区块，新比特币奖励减半。到2140年，比特币全部被挖出时，矿工奖励仅剩用户转账手续费。
同时，别忘了“块”的大小是有限制的，所以手续费数量是一定的。
于是，在未来某一时刻，当矿工记账获得的比特币奖励，与矿机硬件、电力地租等成本持平时，大量矿工将退出比特币系统，算力集中在少数人手里。
他们可以凭借已掌握的算力，在之前的区块上，延伸出新的“最长链”，从而将另一条链作废，从而将自己已经支付的币取回。这会对比特币系统造成毁灭性打击。
算力攻击
事实上，比特币社区早已认识到问题的存在，近年来他们讨论过扩大“块”的容量，或者引入隔离见证、闪电网络等方案，提高每秒可处理的交易数（TPS）。他们甚至还讨论过是否扩大发行总量。但始终没有达成一致。
好消息是，尽管比特币支付还不像法币一样方便，但美国、日本、德国、加拿大、白俄罗斯、瑞士等国家已接受比特币支付，并在一定法律范围内，承认其合法地位，部分国家还设置了比特币ATM机。
本质上，作为一种货币，比特币正向着初衷迈进。相比之下，以太坊需要解决的问题，就要复杂很多了。
拓展阅读：
Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
https://bitcoincore.org/bitcoin.pdf
Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
https://github.com/ethereum/wiki/wiki/White-Paper
Ethereum Casper 101
https://medium.com/@jonchoi/ethereum-casper-101-7a851a4f1eb0
A Proof of Stake Design Philosophy
https://medium.com/@VitalikButerin/a-proof-of-stake-design-philosophy-506585978d51
Proof of Stake FAQs
https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Proof-of-Stake-FAQs
Casper Proof of Stake compendium
https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Casper-Proof-of-Stake-compendium
Proof of Stake: How I Learned to Love Weak Subjectivity
https://blog.ethereum.org/2014/11/25/proof-stake-learned-love-weak-subjectivity/
Critique of Buterin’s “A Proof of Stake Design Philosophy”
https://medium.com/@tuurdemeester/critique-of-buterins-a-proof-of-stake-design-philosophy-49fc9ebb36c6
Cryptocurrencies without Proof of Work
https://arxiv.org/pdf/1406.5694.pdf
casper_basics.pdf
https://github.com/ethereum/research/blob/master/papers/casper-basics/casper_basics.pdf
The Triangle of Harm
https://vitalik.ca/general/2017/07/16/triangle_of_harm.html
Casper Proof of Stake compendium
https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Casper-Proof-of-Stake-compendium
slasher
https://blog.ethereum.org/2014/01/15/slasher-a-punitive-proof-of-stake-algorithm/
The History of Casper — Chapter1
https://blog.ethereum.org/2016/12/06/history-casper-chapter-1/
The History of Casper — Chapter2
https://blog.ethereum.org/2016/12/07/history-casper-chapter-2/
The History of Casper — Chapter3
https://medium.com/@Vlad_Zamfir/the-history-of-casper-chapter-3-70fefb1182fc
The History of Casper — Chapter4
https://medium.com/@Vlad_Zamfir/the-history-of-casper-chapter-4-3855638b5f0e
The History of Casper — Chapter 5
https://medium.com/@Vlad_Zamfir/the-history-of-casper-chapter-5-8652959cef58
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