要求：理解主流共识算法，包括不限于PoW，PoS，DPoS，PBFT，Paxos，Raft等；
1、什么是共识机制?
我们都知道，区块链可以看作一本记录所有交易的分布式公开帐簿，区块链网络中的每个参与者都把它看作一本所有权的权威记录。
公开账本历史数据不可篡改，只允许往后添加，每个节点都具有相同的权限，那么就带来一个问题：
公开账本每个新区块由谁来负责写入？
因为所有节点都一样，如果所有节点同时一起写入账本数据，那么肯定数据会不一致。
因此需要一种机制来保证区块链中的每一区块只能由一个节点来负责写入，如何选出写入账本数据的节点，这就是共识机制。让平等的参与者按照某种秩序达成一致意见。
打个比方，
现在有一个中心数据库，所有客户端都能来查询，每个客户端权限都是一样，但如果要对数据库进行增删改，不好意思，每次只允许一个客户端来操作，通俗讲，就是让数据库串行修改数据库。通过一个算法机制来抉择出操作的客户端。这个机制就是共识机制，所谓的共识就是在人人平等的社会里需要大家共同形成一个共识，产生一个操作者、临时决策者，代表大家来进行中心化的操作，大家按照这个共识来维持去中心化的网络世界。
2、主流的共识算法有哪些？
区块链中的共识算法说到底还是分布式系统中最重要的一致性问题：在分布式网络中如何保证数据一致性。
说到一致性问题，就不得不提大名鼎鼎的拜占庭将军问题。是 Leslie Lamport 1982 年提出用来解释一致性问题的一个虚构模型。拜占庭是古代东罗马帝国的首都，由于地域宽广，守卫边境的多个将军（系统中的多个节点）需要通过信使来传递消息，达成某些一致的决定。但由于将军中可能存在叛徒（系统中节点出错），这些叛徒将努力向不同的将军发送不同的消息，试图会干扰一致性的达成。
Leslie Lamport 证明，当叛变者不超过1/3时，存在有效的算法，不论叛变者如何折腾，忠诚的将军们总能达成一致的结果。如果叛变者过多，则无法保证一定能达到一致性。
对于拜占庭将军问题分两种情况：
1）针对非拜占庭错误的情况，一般包括 Paxos、Raft （私有链常用）及其变种。
分布式数据库设计一般都是基于paxos或raft算法。
开源的数据库基本采用raft和paxos的变种：
百度开源：百度正式开源其Raft一致性算法实现braft http://www.infoq.com/cn/news/2018/03/Baidu-open-source-Raft-algorithm
阿里开源：AliSQL X-Cluster基于X-Paxos的高性能强一致MySQL数据库 http://tech.it168.com/a2017/0803/3159/000003159063.shtml
阿里开源：阿里云新一代关系型数据库 PolarDB 剖析 采用分布式Raft协议来保证数据的强一致性，拥有更加优异的故障恢复时间，更加满足数据容灾备份等业务场景的需求。 http://www.infoq.com/cn/articles/ali-polardb
微信开源：生产级paxos类库
PhxPaxos实现原理介绍 http://www.infoq.com/cn/articles/weinxin-open-source-paxos-phxpaxos
2）对于要能容忍拜占庭错误的情况，一般包括 PBFT 系列（联盟链常用）、PoW （公有链常用）系列算法等。
从概率角度，PBFT 系列算法是确定的，一旦达成共识就不可逆转；而 PoW 系列算法则是不确定的，随着时间推移，被推翻的概率越来越小。
3、非拜占庭故障共识算法之Raft协议
Raft是在非拜占庭故障下达成共识的强一致协议。在区块链系统中，使用Raft实现记账共识的过程可以描述如下：首先选举一个leader，接着赋予leader完全的权利管理记账。leader从客户端接收记账请求，完成记账操作，生成区块，并复制到其他记账节点。有了leader简化了记账操作的管理。如果leader失效或与其他节点失去联系，这时，系统就会选出新的leader。
Raft基础
RAFT核心思想很容易理解，如果数个数据库，初始状态一致，只要之后的进行的操作一致，就能保证之后的数据一致。由此RAFT使用的是Log进行同步，并且将服务器分为三中角色：Leader，Follower，Candidate，相互可以互相转换。
RAFT从大的角度看，分为两个过程：
- 选举Leader
- Leader生成Log，并与Follower进行Headbeats同步
一个Raft集群通常包含5个服务器，允许系统有2个故障服务器。每个服务器处于3个状态之一：leader、follower或candidate。正常操作状态下，仅有一个leader，其他的服务器均为follower。follower是被动的，不会对自身发出的请求而是对来自leader和candidate的请求做出响应。leader处理所有的客户端请求（若客户端联系follower，则该follower将转发给leader)。candidate状态用来选举leader。
Raft阶段主要分为两个，首先是leader选举过程，然后在选举出来的leader基础上进行正常操作，比如日志复制、记账等。
leader选举
当follower在选举超时时间内未收到leader的心跳消息，则转换为candidate状态。为了避免选举冲突，这个超时时间是一个150~300ms之间的随机数。
一般而言，在Raft系统中：
- 1）任何一个服务器都可以成为一个候选者candidate，它向其他服务器follower发出要求选举自己的请求。
- 2）其他服务器同意了，发出OK。如果在这个过程中，有一个follower宕机，没有收到请求选举的要求，此时候选者可以自己选自己，只要达到N/2 + 1 的大多数票，候选人还是可以成为leader。
- 3）这样这个候选者就成为了leader领导人，它可以向follower发出指令，比如进行记账。
- 4）以后可以通过心跳进行记账的通知。
- 5）一旦这个leader崩溃了，那么follower中有一个成为候选者，并发出邀票选举。
- 6）follower同意后，其成为leader，继续承担记账等指导工作。
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记账过程（日志同步）
Raft的记账过程按以下步骤完成：
- 1）假设leader领导人已经选出，这时客户端发出增加一个日志的要求；
- 2）leader要求follower遵从他的指令，都将这个新的日志内容追加到他们各自日志中；
- 3）大多数follower服务器将交易记录写入账本后，确认追加成功，发出确认成功消息；
- 4）在下一个心跳中，leader会通知所有follower更新确认的项目。
对于每个新的交易记录，重复上述过程。
如果在这一过程中，发生了网络通信故障，使得leader不能访问大多数follower，那么leader只能正常更新它能访问的那些follower服务器。而大多数的服务器follower因为没有了leader，它们将重新选举一个候选者作为leader，然后这个leader作为代表与外界打交道，如果外界要求其添加新的交易记录，这个新的leader就按上述步骤通知大多数follower，如果这时网络故障修复了，那么原先的leader就变成follower，在失联阶段，这个老leader的任何更新都不能算确认，都回滚，接收新的leader的新更新。
http://thesecretlivesofdata.com/raft/
4、非拜占庭故障共识算法之Paxos协议
PAXOS是一种基于消息传递且具有高度容错特性的一致性算法。
算法本身用语言描述极其精简：
阶段 1
a) proposer向网络内超过半数的acceptor发送prepare消息
b) acceptor正常情况下回复promise消息
阶段 2
a) 在有足够多acceptor回复promise消息时，proposer发送accept消息
b) 正常情况下acceptor回复accepted消息
PAXOS中有三类角色Proposer、Acceptor及Learner，主要交互过程在Proposer和Acceptor之间，做成图便如下图所示：
image.png
以下图描述多Proposer的情况，T代表时间轴，图中仅画全一个Proposer与Acceptor的关系：
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A3在T1发出accepted给A1，然后在T2收到A5的prepare，在T3的时候A1才通知A5最终结果(税率10%)。这里会有两种情况：
- A5发来的N5小于A1发出去的N1，那么A3直接拒绝(reject)A5
- A5发来的N5大于A1发出去的N1，那么A3回复promise，但带上A1的(N1, 10%)
最终A5也会接受10%
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上图描述，如果已经Promise一个更大的N，那么会直接Reject更小的N
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上述描述了，即使Promise了一个N，如果在未Accepted前，再收到一个更大的N，那么依旧会Reject那个即使已经Promise的N
总流程图概括如下：
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5、非拜占庭故障共识算法之Pool验证池
Pool验证池，基于传统的分布式一致性技术，加上数据验证机制；Pool（联营）验证池是目前行业内大范围使用的共识机制
- 优点：不需要代币也可以工作，在成熟的分布式一致性算法（Paxos、Raft）基础上，实现秒级共识验证；
- 缺点：去中心化程度不如bictoin；更适合多方参与的多中心商业模式
6、拜占庭容错共识算法之 PBFT 系列
拜占庭假设是对现实世界的模型化，由于硬件错误、网络拥塞或断开以及遭到恶意攻击，计算机和网络可能出现不可预料的行为。拜占庭容错协议必须处理这些失效，并且这些协议还要满足所要解决的问题要求的规范。这些算法通常以其弹性t作为特征，t表示算法可以应付的错误进程数。很多经典算法问题只有在n ≥ 3t+1时才有解，如拜占庭将军问题，其中n是系统中进程的总数。
拜占庭容错能够容纳将近1/3的错误节点误差，IBM创建的Hyperledger就是使用了该算法作为共识算法。
1） PBFT机制：
PBFT：用拜占庭容错系统（Practical Byzantine Fault Tolerance）是一种状态机副本复制算法，即服务作为状态机进行建模，状态机在分布式系统的不同节点进行副本复制。每个状态机的副本都保存了服务的状态，同时也实现了服务的操作。将所有的副本组成的集合使用大写字母R表示，使用0到|R|-1的整数表示每一个副本。为了描述方便，假设|R|=3f+1，这里f是有可能失效的副本的最大个数。尽管可以存在多于3f+1个副本，但是额外的副本除了降低性能之外不能提高可靠性。
PBFT的一致性协议如下：PBFT系统通常假设故障节点数为m个，而整个服务节点数为3m+1 个。每一个客户端的请求需要经过5个阶段，通过采用两次两两交互的方式在服务器达成一致之后再执行客户端的请求。由于客户端不能从服务器端获取任何服务器运行的状态信息，PBFT中主节点是否发生错误只能由服务器监测。如果服务器在一段时间内都不能完成客户端的请求，则会触发视图更换协议。
基于拜占庭将军问题，一致性的确保主要分为这三个阶段：预准备（pre-prepare）、准备(prepare)和确认(commit)。流程如下图所示：
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上图显示了一个简化的PBFT的协议通信模式，其中C 为客户端，N0 ~ N3表示服务节点，特别的，N0为主节点，N3 为故障节点。整个协议的基本过程如下：
Request：客户端发送请求，激活主节点的服务操作，当主节点接收请求后，启动三阶段的协议以向各从节点广播请求；
pre-prepare：主节点给请求赋值一个序号n ，广播序号分配消息和客户端的请求消息m ，并将构造pre-prepare消息给各从节点；
prepare：交互阶段，从节点接收pre-prepare消息，再次向其他服务节点广播prepare消息；
commit：在Prepare阶段，若收到超过一定数量的相同请求，则进入Commit阶段，各节点对视图内的请求和次序进行验证后，广播Commit请求；
reply：在Commit阶段，若收到超过一定数量的相同请求，则执行客户端的请求并给客户端响应；
根据上述流程，在 N ≥ 3F + 1 的情況下一致性是可能解決，N为总计算机数，F为有问题的计算机总数
2） DBFT机制
是由权益来选出记账人，然后记账人之间通过拜占庭容错算法来达成共识，
这种方式的优点是：
- 1)专业化的记账人；
- 2)可以容忍任何类型的错误；
- 3)记账由多人协同完成，每一个区块都有最终性，不会分叉；
- 4)算法的可靠性有严格的数学证明；
缺点：
- 1)当有1/3或以上记账人停止工作后，系统将无法提供服务；
- 2)当有1/3或以上记账人联合作恶，且其它所有的记账人被恰好分割为两个网络孤岛时，恶意记账人可以使系统出现分叉，但是会留下密码学证据；
对于拜占庭将军问题可自行网上查找资料，很多这里不再赘述。
7、拜占庭容错共识算法之 PoW 系列算法
1）工作量证明PoW
工作量证明，Proof of Work，通过计算来猜测一个数值（nonce），得以解决规定的 hash 问题（来源于 hashcash）。保证在一段时间内，系统中只能出现少数合法提案。
同时，这些少量的合法提案会在网络中进行广播，收到的用户进行验证后会基于它认为的最长链上继续难题的计算。因此，系统中可能出现链的分叉（Fork），但最终会有一条链成为最长的链。
这个过程，就是大家熟悉的挖矿，通过hash运算，计算出一个满足规则的随机数，即获得本次记账权，把已经打包好的区块添加到区块链，然后广播到全网，全网其它节点验证后一起添加到本地节点的区块链上
- 优点：完全去中心化，节点自由进出；
- 缺点：目前bitcoin已经吸引全球大部分的算力，其它再用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；挖矿造成大量的资源浪费；共识达成的周期较长，不适合商业应用
2）权益证明PoS
权益证明，Proof of Stake，2013 年被提出，最早在 Peercoin 系统中被实现，根据每个节点所拥有代币的比例和时间；等比例的降低挖矿难度，从而加快找随机数的速度。类似现实生活中的股东机制，拥有股份越多的人越容易获取记账权。
典型的过程是通过保证金（代币、资产、名声等具备价值属性的物品即可）来对赌一个合法的块成为新的区块，收益为抵押资本的利息和交易服务费。提供证明的保证金（例如通过转账货币记录）越多，则获得记账权的概率就越大。合法记账者可以获得收益。
PoS 是试图解决在 PoW 中大量资源被浪费的缺点。恶意参与者将存在保证金被罚没的风险，即损失经济利益。
一般的，对于 PoS 来说，需要掌握超过全网 的资源，才有可能左右最终的结果。这个也很容易理解，三个人投票，前两人分别支持一方，这时候，第三方的投票将决定最终结果。
- 优点：在一定程度上缩短了共识达成的时间
- 缺点：还是需要挖矿，本质上没有解决商业应用的痛点
3）授权股权证明机制DPOS
PoS 的改进算法，DPOS与POS原理相似。与POS的主要区别在于节点选举若干代理，由代理人验证和记账。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。
PoW机制和PoS机制虽然都能有效地解决记账行为的一致性共识问题，但是现有的比特币PoW机制纯粹依赖算力，导致专业从事挖矿的矿工群体似乎已和比特币社区完全分隔，某些矿池的巨大算力俨然成为另一个中心，这与比特币的去中心化思想相冲突。PoS机制虽然考虑到了PoW的不足，但依据权益结余来选择，会导致首富账户的权力更大，有可能支配记账权。
股份授权证明机制( Delegated Proof of Stake，DPoS)的出现正是基于解决PoW机制和PoS机制的这类不足。
优点：大幅缩小参与验证和记账节点的数量，可以达到秒级的共识验证
缺点：整个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
8、目前主流区块链采用的共识算法
主流区块链采用的共识算法汇总如下：
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- 1）PoW共识算法代表：比特币&莱特币&以太坊
比特币采用的是PoW（Proof of Work），工作量证明，通过计算来猜测一个数值（nonce），得以解决规定的 hash 问题。
需要以下参数：
block的版本 version
上一个block的hash值: prev_hash
需要写入的交易记录的hash树的值: merkle_root
更新时间: ntime
当前难度: nbits
挖矿的过程就是找到x使得以下等式成立：
SHA256(SHA256(version + prev_hash + merkle_root + ntime + nbits + x )) < TARGET
上式的x的范围是0~2^32, TARGET可以根据当前难度求出的。由于hash的特性，找这样一个x只能暴力搜索。
PoW共识算法的核心是所有节点通过暴力查找x，使得上面的等式成立。
谁先找到谁就或者这一区块的写入权，并获得奖励，因此pow共识机制对所有节点都公平，谁的算力强谁就更有机会更高概率获得写入权。
以太坊也是采用PoW工作量证明算法，具体实现算法叫（Ethash）
- 2）PoS机制代表：Peercoin(点点币) & Nxt(未来币)
点点币（Peercoin ）的权益证明机制结合了随机化与币龄的概念，未使用至少30天的币可以参与竞争下一区块，越久和越大的币集有更大的可能去签名下一区块。然而，一旦币的权益被用于签名一个区块，则币龄将清为零，这样必须等待至少30日才能签署另区块。同时，为防止非常老或非常大的权益控制区块链，寻找下一区块的最大概率在90天后达到最大值，这一过程保护了网络，并随着时间逐渐生成新的币而无需消耗大量的计算能力。点点币的开发者声称这将使得恶意攻击变得困难，因为没有中心化的挖矿池需求，而且购买半数以上的币的开销似乎超过获得51%的工作量证明的哈希计算能力。
权益证明必须采用某种方法定义任意区块链中的下一合法区块，依据账户结余来选择将导致中心化，例如单个首富成员可能会拥有长久的优势。为此，人们还设计了其他不同的方法来选择下一合法区块。
NXT币采用随机方法预测下一合法区块，使用公式查找与权益大小结合的最小哈希值。由于权益公开，每个节点都可以合理的准确度预计哪个账户有权建立区块。
- 3）DPoS共识算法代表：Bitshare & EOS
比特股( Bitshare)是一类采用DPoS机制的密码货币，它期望通过引入一个技术民主层来减少中心化的负面影响。
比特股引入了见证人这个概念，见证人可以生成区块，每一个持有比特股的人都可以投票选举见证人。得到总同意票数中的前N个(N通常定义为101)候选者可以当选为见证人，当选见证人的个数(N)需满足：至少一半的参与投票者相信N已经充分地去中心化。
见证人的候选名单每个维护周期(1天)更新一次。见证人然后随机排列，每个见证人按序有2秒的权限时间生成区块，若见证人在给定的时间片不能生成区块，区块生成权限交给下一个时间片对应的见证人。DPoS的这种设计使得区块的生成更为快速，也更加节能。DPoS充分利用了持股人的投票，以公平民主的方式达成共识，他们投票选出的N个见证人，可以视为N个矿池，而这N个矿池彼此的权利是完全相等的。持股人可以随时通过投票更换这些见证人(矿池)，只要他们提供的算力不稳定，计算机宕机，或者试图利用手中的权力作恶。
比特股还设计了另外一类竞选，代表竞选。选出的代表拥有提出改变网络参数的特权，包括交易费用、区块大小、见证人费用和区块区间。若大多数代表同意所提出的改变，持股人有两周的审查期，这期间可以罢免代表并废止所提出的改变。这一设计确保代表技术上没有直接修改参数的权利以及所有的网络参数的改变最终需得到持股人的同意。
- 4）哪种共识算法最好？
每一种共识算法都有各自的应用场景，没有绝对的好坏之分。到底选择哪个共识来进行区块链的实施取决于哪类网络和数据。
最近很反感一种现象：很多新区块链一上来就说自己的共识算法是PoA、PoB~PoZ（a到z的字母都快被用完了），动不动就说是颠覆性的，可实际上还是对以上介绍的几种共识算法的模仿或小改造，让初入区块链行业的人很懵逼，觉得好高大上，纯属吓唬人。
作者：张凯_9908
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来源：简书
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