工作量证明（POW）不是共识协议：理解区块链共识的基础知识

区块链和分布式算法是由许多层组成的复杂技术。很少有人详细了解底层区块链技术和分布式算法。老实说，这很好。专门化的本质意味着不同的专家专注于不同的层，最终就会将好的结果契合在一起。

然而，当涉及到协商共识的协议时，有一些半真半假的说法需要解决。理解共识是为应用程序选择正确的区块链平台和配置的先决条件。做出错误的选择可能导致效率低下和不安全的设置。

以下是一些关于区块链共识的错误陈述，它们经常被提及:

“工作量证明是一项共识协议。”

“只要没有人能控制超过50%的网络，区块链协议就是安全的。”

“区块链共识是低效和耗能的。”

“比特币首先在拜占庭式的环境中解决了共识问题。”

因此，让我们仔细研究一下共识并消除一些误解。

区块链共识的两个步骤

共识协议解决了计算机科学中的一个经典问题:许多平等的参与者如何才能就事件的全局观点达成一致?在区块链术语中，这意味着同意处理交易的特定顺序。区块链共识的目标是在所有节点上维护完全相同的历史副本。

在集中的系统中，解决这个问题很容易:中央协调器可以简单地强制执行交易顺序。在分布式系统中，这是不可能的，需要更复杂的机制。

在区块链中添加分类账的过程包括向分布式数据结构添加一个新块。这包括两个主要步骤，每个步骤都有自己的算法选择:选择块提议者和就包含所提议的块达成共识。前者涉及决定哪个节点生成下一个块，后者关注的是一个新块是否被接受到区块链数据结构中。这两个步骤同样重要，但完全不同。

块提议者选择算法

选择下一个块生成器最简单的方法就是轮流或随机选择下一个块生成器。事实上，在授权人数固定的情况下，轮流是一个非常好的选择。这通常是企业设置中使用的公共区块链的情况。

然而，这样的方案在公共区块链(任何人都可以自由参与)中不起作用，比如比特币或公共以太坊网络。就像彩票一样，参与者可以通过买取大量的彩票来提高他们的获奖机会。如果彩票是免费的或非常便宜，这可能导致系统被欺骗。这种情况称为西比尔攻击。因此，需要有一种机制来对买票行为附加经济困难。

工作量证明(PoW)就是这样一种机制。所谓的“挖掘”给参与块生成器选择算法带来了成本。参与者可以获得很多票，但是他们必须为提高计算能力而付费。因此，PoW根本不是一个共识的算法，它只是一个用于选择下一个块生成器的抗sybill工具。理解这一点很重要，因为PoW可以与许多协商共识算法结合使用。事实上，我们将在下一节中发现，比特币的共识算法非常简单，提供的是非常弱的保证。

权益证明(PoS)是选择下一个块生成器的类似工具。在这种情况下，计算能力被简单地消除，并根据计算能力依赖于经济实力的观察结果，用经济财富来衡量中彩票概率。明显的优势是减少了与PoW相关的能源消耗。

共识算法

在区块链系统中，实际的共识性算法是在被选择的块生成器提出一个块之后执行的。参与者必须就是否包括区块达成协议。比特币和类似的区块链，包括以太坊，并不真正执行任何特定的算法来达成这样的协议。相反，他们选择了一种不干涉的方法，只允许暂时的分歧，并建立一个规则，即最强的链获胜，即由网络的大多数计算能力支持的链获胜。临时分叉是可以接受的，而且确实很常见。这种形式的协商共识意见有时是Nakamoto协商共识意见，对该网络所能提供的保障具有深远的影响。

甚至在比特币和区块链系统发明之前，分布式系统的研究人员就已经开发出了许多工作方式截然不同的共识协议。BFT协商共识协议执行网络参与者之间的若干轮通信，以投票决定是否包含一个块，并达成坚定的协议。

BFT共识投票

数学上已经证明，只要不到三分之一的参与者没有表现出恶意，这种协议就能保持正常运行。BFT共识的缺点是，由于涉及的通信开销，它的伸缩性很差。因此，这种协议主要用于验证器数量有限且预先已知的情况，例如在混合区块链或授权区块生产者数量较少的区块链中。

BFT共识协议的区块链实现包括BFT和Tendermint。事实上，最近流行的适应于区块链系统的BFT共识已导致对这一经典领域的研究兴趣重新燃起。例如，Sikoba Research最近就在BFT共识性优化方面进行了大量工作。

最后的话