如果说区块链是比特币运行的躯干
那共识机制就是灵魂
区块链哲学三问
区块链被确认有以下三个基本特征：
1.区块链是一个分布式数据库（系统）；
2.区块链采用密码学，保证你有数据不被篡改；
3.区块链采用共识算法来对于新增的数据达成共识。
这三点可以简单的从哲学上理解为：我是谁？我来自哪里？我要去哪里？
我是谁？我是一个分布式的数据库；
我来自哪里？密码学告诉我过往的记忆；
我要去哪里？共识算法告诉我应该怎么往前走。
区块链技术的伟大之处就是它的共识机制，在去中心化的思想上解决了节点间互相信任的问题。区块链拥有众多节点并达到一种平衡状态是因为共识机制。尽管密码学占据了区块链的半壁江山，但是共识机制才是让区块链系统不断运行下去的关键。所以，要深入谈及区块链的共识机制，就避不开一个问题，拜占庭问题。
关于拜占庭问题及其分析（前方烧脑）
拜占庭问题是容错计算中的一个老问题，有莱斯特兰伯特等人在1982年提出。拜占廷帝国为5-15世纪的东罗马帝国，拜占庭城邦拥有巨大的财富，令他的十个邻邦垂涎已久，但是拜占庭高墙耸立，固若金汤，没有任何一个单独的邻邦能够成功入侵，任何单个城邦的入侵行动都会失败，而入侵者的军队也会被歼灭，使得其自身反而容易遭到其它九个城邦的入侵。这十个城邦之间也互相觊觎对方的财富并经常爆发战争。
拜占庭的防御能力如此之强，非大多数人一起不能攻破。而且只要其中一个城邦背叛盟军，那么所有进攻军队都会被歼灭，并随后被其他邻邦所劫掠。因此这是一个互不信任的各个邻邦构成的分布式网络。每一方都小心行事，因为稍有不慎就会给自己带来灾难。为了获取拜占庭的巨额财富，这些邻邦分散在拜占庭的周围，依靠士兵传递消息来协商进攻目的及进攻时间，这些邻邦将军想要攻克拜占庭，但面临的一个困扰，邻邦将军不确定他们之中是否有叛徒，叛徒是否擅自变更进攻意向或者进攻时间？在这种状态下，将军们能否找到一种分布式协议来进行远程协商达成他们的共识，进而赢取拜占庭城邦的财富呢？
在拜占庭将军问题模型中，对于将军们有两个公认的假设：
假设一、所有忠诚的将军受到相同的命令后，执行这条命令，得到的结果一定是相同的，它的含义是所有节点对命令的解析和执行是一样的，这个命令必须是一个确定性的命令，不能存在随机性，也不能依赖节点自身的状态，也就是说这个秘密不能是心情好，就攻击敌人，心情不好就原地休息；
假设二、如果命令是正确的，那么所有忠诚的将军必须执行这条命令，换句话说，忠诚的将军需要判断，接收到的命令是不是正确的。
对于将军们的通讯过程，在“拜占庭将军问题”中也是有默认假设的：点对点通信是没有问题的，也就是说在这里，我们假设A将军要给B将军一条命令X，那么派出去的传令兵一定会准确的把命令X传给B将军。
但问题在于，如果每个城邦向其他九个城邦派出一名信使，那么就是这十个城邦，每一个都派出了九名信使，也就是在任何一个时间有总计90次的信息传输，并且每个城市分别收到九条信息，可能每一条都写着不同的进攻时间，除此以外，信息传输过程中，如果叛徒想要破坏原有的约定时间，就会自己修改相关信息，然后发给其他城邦以混淆试听，这样的结果是，部分城邦收到错误信息后，会遵循一个或者多个城邦已经修改过的攻击时间相关信息，从而背叛发起人的本意。这样一来，遵循错误信息的城邦（包含叛徒），将重新广播超过一条信息的信息链，整个信息链会随着他们所发送的错误信息，迅速变成不可信的信息和攻击时间，变成一个相互矛盾的纠结体。
针对这个问题，人们主要提出了两种解决方法，一个是口头协议算法；另一个是书面协议算法。
口头协议算法的核心思想：要求每一个被发送的消息都能被正确投递，信息接收者明确知道消息发送者的身份，并且信息接收者知道信息中是否缺少信息。采用口头协议算法，若叛徒数少于1/3时，则拜占庭将军问题可以很容易解决。但是口头协议算法存在着明显的缺点，那就是消息不能溯源。
为解决该问题，提出了书面协议算法。该算法要求签名，不可伪造，一旦被篡改即可发现，同时任何人都可以验证签名的可靠性。
就算是书面协议算法，也不能完全解决拜占庭将军问题，因为该算法没有考虑信息传输延迟、签名体系难以实现的问题。且签名消息记录的保存，也难以摆脱中心化机构。
以比特币为例的区块链共识机制解决方案
中本聪所创建的比特币，通过对这个系统，做出一个简单的变化解决了这个问题。它为发送信息加入成本，这降低了信息传递的速率，并加入了一个随机元素，以保证在一个时间只有一个城邦，可以进行广播。
中本聪加入的成本是“工作量证明”——挖矿，并且工作量证明是基于计算一个随机哈希算法。哈希算法唯一做的事情就是获得一些输入，然后进行计算，并得到一串64位的随机数字和字母的字符串。
在比特币的世界中，输入数据，包括了到当前时间点的整个总帐。尽管单个哈希值用现在的计算机几乎可以及时的计算出来，但是比特币系统接受的工作量证明，是无数个64位哈希值中唯一的哈希值，而且这个哈希值前13个字符均为0，这样一个哈希值是极其罕见，不可能被破解的，并且在当前却要花费整个比特币网络，总算力约十分钟的时间才能找到一个。
在一台网络机器随机的找到一个有效哈希值之前，上十亿个的无效值会被计算出来，计算哈希值就需要花费大量时间，增加了发送信息的时间间隔，造成信息传递速率减慢，而这就是使得整个系统可用的“工作量证明”。
而那台发现下一个有效哈希值的机器，能将所有之前的信息放到一起，附上他自己的辨识信息，以及它的签名/印章诸如此类，向网络中的其他机器广播出去。只要其他网络中的机器接收到并验证通过了，这个有效的哈希值和附着在上面的签名信息，他们就会停止他们当下的计算，使用新的信息更新他们的总账拷贝，然后把新更新的总账作为哈希算法的输入，再次开始计算哈希值。
哈希计算竞赛，从一个新的开始点重新开始，如此这般，网络持续同步着，所以网络上的电脑都使用着同一版本的总账，与此同时，每一次成功找到有效哈希值以及区块链更新的间隔，大概是十分钟，在那十分钟以内，网络上的参与者发送信息并完成交易，并且因为网络上的每一个机器都是使用同一个总账，所有的这些交易和信息都会进入每一份遍布全网的总账拷贝。当区块链更新，并在全网同步之后，在之前十分钟内进入区块链的所有交易也被更新并同步。因此分散的交易记录，是在所有的参与者之间进行对账和同步的。
最后在用户向网络输入一笔交易的时候，他们使用内嵌在比特币客户端的标准公钥加密工具来加密，同时用他们的私钥以及接收者的公钥为这笔交易签名，这对应于拜占庭将军问题中，他们用来签名和验证消息时使用的“印章”。因此，哈希计算速率的限制，加上公钥加密，使得一个不可信网络变成一个可信的网络，所有参与者可以在某些事情上达成一致（比如说攻击时间、或者一系列的交易域名记录，政治投票系统，或者任何其他的需要分布式协议的地方）。
将比特币的共识机制引入拜占庭问题，就形成了这样一种情况，城邦A向其他九个城邦发送进攻相关信息，是直接将相关信息及其当时发送的时间，附加在通过哈希算法加密的信息中，并且加上独属于自己的数字签名传递给其他城邦。等其他城邦中相应的机器已经收到，并验证通过这个有效哈希值和附加在上面的签名信息，他们就会停止他们当下的计算，使用新的信息更新他们的总的进攻信息拷贝，然后把新更新的信息区块链作为哈希算法的输入，再发给其他城邦。其他城邦接受消息后，重复此流程直至所有城邦都收到消息。如此这般，网络持续同步着，所有网络上的电脑都使用着同一版本的总账。
如果叛徒想要修改进攻信息来误导其他城邦时，其他城邦的机器会立刻识别到异常信息，同步的虚假信息将不被认可，依旧会同步其他大部分共同的信息，这样叛徒就失败了，他无法破坏十个城邦当中的大多数节点，也就是至少六个节点，这样信息的一致性就得到了保证，完美解决了拜占庭问题。
这就是区块链共识机制为何如此特别的关键，他为一个算法上的难题提供了解决方案，区块链的共识机制，通过不断同步各个节点的信息，使得各分布式节点之间达到一种平衡，保证了绝大多数节点的一致性，即达成了共识。
区块链共识机制的发展变迁
区块链的共识机制发展到现在，也出现了很多种，这里列举一些比较典型的共识机制：
1.POW（Proof of Work） 工作量证明
依赖机器进行数学运算来获取记账权，资源消耗相比其他共识机多、可监管性弱，同时每一次达成共识，需要全网共同参与，运算性能效率比较低，容错性方面允许全网50%节点出错，优点是完全去中心化，节点自由进出。当然现在由于POW算力的中心化，使得很多人对POW机制中的中心化问题出了怀疑，其中被质疑最多的就是算力中心化问题。
2.POS(Proof of Stake) 权益证明
总体来说，就是存在一个持币人的集合，他们把手中的代币放入POS机制中，这样他们就变成验证者。假设很多验证者，在区块链最前面发现了一个新区块，这是POS算法在这些验证者中随机选取一个，给他们权利产生下一个区块，选择验证者的权重，依据他们投入的代币多少而定，与POW一样，以最长的链为准，如果在一定时间内，这个验证者没有产生出一个新区块，POS会继续选出第二个验证者，代替原来被选中的验证者来产生新的区块。
和POW算法相比，选择POS算法有什么好处呢？
简单来说，不再需要为了安全产生区块，而大量消耗电能。由于不再需要大量能耗，通过发行新币以激励参与者继续参与网络的压力会下降，理论上负总发行量甚至成为可能，由于一部分交易费被烧掉，因此货币供应会随着时间减少，从“合作博弈论”观点来看，POS算法可以减少因自私挖矿而造成系统被攻击的弱点。随着规模经济的消失（指扩大生产规模引起经济效益增加的现象），中心化所带来的风险就会减小，价值1000万美元的代币带来的回报是10万美元，即作恶所付出的成本需要价值1000万美元的代币，而收益只能得到价值10万美元的代币，这样一来，因为作恶获得与付出不成正比，人们不会去攻击整个区块链。
同样，POS也存在很多问题，比如POS相当于是大股东说了算，但如果大股东作恶怎么办，这也一直存在争议。
3.DPOS(Delegate Proof of Stake）股份授权证明
BitShares社区首先提出了DPOS机制。DPOS与POS的主要区别，在于其节点选取若干代理人。由代理人验证和记账，其合规监管、性能、资源消耗和容错性与POS相似。类似于董事会投票，持币者投出一定数量的节点，代理他们进行验证和记账。
DPOS的工作原理：51%的股东投票的结果，将是不可逆且有约束力的，其运作方式是通过及时而高效的方式，采用51%以上份额的股东投票来决定方案。为达到这个目标，每个股东可以将其投票权授予一名代表。网络延迟有可能使某些代表没能力及时广播他们的区块，而这将导致区块链分叉。然而，这不太可能发生，因为制造区块的代表可以与制造前后区块的代表建立直接连接，而建立这种与你之后的代表的直接连接，是为了确保你能得到报酬。该模式可以每30秒产生一个新区块，并且在正常的网络条件下，区块链分叉的可能性极小，即使发生也可以在几分钟内得到解决，这样就可以大幅缩小参与验证和计算节点的数量，达到秒级的共识验证。
4.Ripple Consensus：瑞波共识机制
它的算法主要是：使一组节点，能够基于特殊节点列表达成共识，初始特殊节点列表，就像一个俱乐部要接纳一个新成员，必须由当前该俱乐部中51%以上的会员投票通过。共识遵循这个核心成员的51%权利，外部人员则没有影响力。与比特币和点点币一样，瑞波系统将股东们与其投票权隔开，并因此比其他系统更中心化。
5.Pool验证池
这是一种基于传统的分布式一致性技术，加上数据验证的机制，是目前行业链大范围在使用的共识机制。
优点是不需要代币也可以工作，在成熟的分布式一致性算法基础上，实现秒级共识验证。而缺点是去中心化程度不如比特币，更适合多方参与的多中心商业模式。
除此之外，还有很多的共识机制，现在主流的共识机制是POW共识机制，POS共识机制和DPOS共识机制。
但是目前这些主流共识机制都还存在着一定不足，比特币已经吸引全球大部分的算力，其它在用POW共识机制的区块链应用，很难获得相同的算力来保障自身的安全，同时挖矿也会造成资源大量浪费，共识达成的周期较长等问题。POW之外出现最早的也是最重要的算法是POS，它的原则是一个节点，持有的币越多，越有机会产生下一个区块，也就是如果想要造假，需要持有大量的币，而既然造假者持有了那么多币，破坏网络的可信度，就会造成资产的大量损失，这个损失极有可能是超过造假的收益。
POS相比POW节约了大量的电力资源，但是它的缺点也显而易见：会造成富者越富，穷者越穷，然后用户会流失，新用户不愿意加入。而且还是需要挖矿，本质上并没有解决商业应用的痛点，所有的确认都只是一个概率上的表达，而不是一个确定性的事件，理论上很有可能存在其它攻击影响。而DPOS共识机制还是依赖于代币，很多商业应用是不需要代币存在的。
结语
基于以上所说，现在看来，没有一种共识机制是完美无缺的，同时也意味着没有一种共识机制，是适合所有应用场景的，所以区块链的共识机制也都还在不断的进步与发展。
虽然目前主流的区块链共识机制中绝大多数都是去中心化的公有链，但本身仍存在一些缺点。并且还有少部分机构采用了半中性化或者中心化的共识机制，而半中性化甚至中心化的共识机制，是明显有违区块链的一致性的，会使权力掌握在少数人手里，出现很多问题，信用机器也将因此崩溃。
如今世界还在等待一种新的共识机制，一种能让所有人都信服的共识机制。
但这可能是一个哲学问题，世界上永远没有完美的共识机制。
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