区块链共识算法之POW（1）

共识机制是区块链的核心基石，是区块链系统安全性的重要保障。区块链是 一个去中心化的系统，共识机制通过数学的方式，让分散在全球各地成千上万的节点就区块的创建达成一致的意见。共识机制中还包含了促使区块链系统有效运 转的激励机制，是区块链建立信任的基础。

区块链公链常用的共识机制有 POW、POS、DPOS、BFT 以及多种机制混合而成的共识机制等。共识是指系统节点达成一致的过程，而分布式系统的一致性体现在三个方面:

◼ 最终性(Termination): 所有进程最终会在有限步数中结束并选取一 个值, 算法不会无尽执行下去。

◼ 统一性(Agreement): 所有进程必须同意同一个值。

◼ 合法性(Validity): 输出内容是输入内容按照系统规则生成的，且输出内容合法。

最终性衡量了达成共识的效率，在一些对交易确认的实时性要求高的场景显 得非常重要，而统一性和合法性表征了共识的安全性。在区块链系统中，去中心 化程度表征了分布式系统的大规模协作程度。因此，我们从效率、安全性和去中 心化程度这三个维度去评价各种共识机制，也就是长铗提出的著名的“不可能三角”理论。

1. POW共识机制

比特币采用的 POW 工作量证明共识机制，在生成区块时，系统让所有节点 公平地去计算一个随机数，最先寻找到随机数的节点即是这个区块的生产者，并 获得相应的区块奖励。由于哈希函数是散列函数，求解随机数的唯一方法在数学 上只能是穷举，随机性非常好，每个人都可以参与协议的执行。由于梅克尔树根的设置，哈希函数的解的验证过程也能迅速实现。因此，比特币的 POW 共识机 制门槛很低，无需中心化权威的许可，人人都可以参与，并且每一个参与者都无 需身份认证。

同时，中本聪通过工作量证明的机制破解了无门槛分布式系统的“女巫攻击” 问题。对系统发起攻击需要掌握超过 50%的算力，系统的安全保障较强。

POW 共识的优点可归纳为:

◼ 算法简单，容易实现，节点可自由进入，去中心化程度高。

◼ 破坏系统需要投入极大的成本，安全性极高。

◼ 区块生产者的选择通过节点求解哈希函数实现，提案的产生、验证到共识的最终达成过程是一个纯数学问题，节点间无需交换额外的信息即可达成共识，整个过程不需要人性的参与。

比特币系统的设定在保证安全性的的前提下，牺牲了一部分最终性。因此，POW 共识算法也存在一些问题:

◼ 为了保证去中心化程度，区块的确认时间难以缩短。

◼ 没有最终性，需要检查点机制来弥补最终性，但随着确认次数的增加，达成共识的可能性也呈指数级地增长。 由于这两个方面的问题，一笔交易为了确保安全，要在 6 个新的区块产生后才能在全网得到确认，也就是说一个交易的确认延迟时间大概为 1 小时，这无法 满足现实世界中对交易实时性要求很高的应用场景。

另一方面，POW 共识算法带来了硬件设备的大量浪费。随着比特币价值的 增长，比特币算力竞赛经历了从 CPU 到 GPU，再到 ASIC 专用芯片的阶段。算力强大的 ASIC 芯片矿机将挖矿算法硬件化，而 ASIC 芯片矿机在淘汰后，没有 其他的用途，造成了大量的硬件浪费。

2.POW共识机制的回归

(1) 各种共识机制的比较

比特币是解决了拜占庭将军问题的分布式账本，在完全开放的环境中，实现 了数据的一致性和安全性。但比特币采用的POW 共识机制被广泛质疑为:

◼ 消耗大量能源和硬件设备;

◼ 区块同步时间长，扩展性弱，TPS 低。于是效率更高、被认为更加节能环保的 POS、DPOS、BFT 等共识机制相继 问世，并得到广泛的应用。各种共识机制的特点:

◼ 在 POS 共识机制下，全网节点根据权益大小按照某种规则参与区块生 产者的选举，共识过程中节点系统开放。但选举过程效率低下，同时由 于选举过程复杂，伴随着许多安全问题。

◼ DPOS 共识通过代理人制度，大幅度提升了 POS 共识的选举效率。但在共识过程中，节点系统是封闭的，而且去中心化程度低

◼ BFT 类的共识机制性能较高并具备良好的最终性，但其容错率低，且由于节点的扩展性问题，更加适用于相对封闭的节点系统。

具体优缺点如下表：

(2) POW 共识机制能源消耗的必要性

正如张首晟教授所言，现实世界的熵总是在增加的6。POW 共识机制将虚拟 世界和现实世界连接起来，分布式系统中达成共识的过程是一个熵减的过程，这 需要现实世界的熵增来平衡，能量消耗即是提供熵增的平衡方式。

相比于 POW 共识把系统的安全性交给了数学和能量消耗，POS 共识把系 统的安全性交给了人性的博弈。POS 共识是虚拟世界中的一个封闭系统，如果 共识的达成没有付出任何代价，共识的可靠性就可能存疑，人性博弈过程中的混 乱一定会暴露出来。

POS 的升级模式 DPOS 共识机制的共识过程类似于精英代议制，是一种常 设特权的治理架构，容易产生腐化。卢梭对代议制的描述是:“民意一旦被代表， 终究会被扭曲”。DPOS 共识机制是为了效率而生的，它更加适用于对性能要求 极高的相对封闭的商业系统。

而对于 BFT 共识机制，由于节点扩展性的缺陷，其共识节点的选择过程一 样是封闭或者需要验证的，因而也更加适用于相对封闭的应用环境。

信任的产生是需要付出代价的，POW 共识机制所消耗的能量，不仅不是缺 陷，反而是信任产生过程中最有效的平衡机制。

(3) POW 共识在新一代公链中的大规模应用

就现实可执行性角度而言，BitMEX 的研究报告7指出，POW 共识机制解决 了区块链分叉的选择、数字货币分发、谁产生区块、什么时间产生区块这四个问题，而改进的 POS 共识机制只是解决了区块链分叉的选择问题，其他三个问题 都是开放的，需要更好的解决路径。

包括 Bytom、Aeternity、Aelf、Zilliqa 在内的新一代公链都包含了 POW 共识机制，第二代公链以太坊第三阶段的 Metropolis 也仍是 POS 和 POW 的 混合体。

上表所列的公链共识机制选择告诉我们，尽管许多公链有自己独特的设计哲 学，但出于安全性考虑，它们依然绕不开 POW 共识机制的保护。对于开放的、 自治度高的公链环境，POW 共识机制有更好的适用性;而 POS 共识过程的管 理成本很高，在算法更改、分叉选择等重大决策过程中，POS 共识机制才有其 使用价值，但这已经是一种相对中心化的决策机制。

(4) Bytom 的 POW 共识算法

虽然 POW 共识机制的能源消耗是一种有效的平衡机制，但是 POW 算法的 ASIC 芯片在淘汰之后的大量硬件浪费问题仍需引起关注。Bytom 采用的人工智能 ASIC 友好型 POW 算法能够减少资源和设备浪费，提升去中心化水平，为 POW 共识机制的进化提供了一个极具建设性的方案。

Bytom 在 POW 共识机制中引入了 Tensority 算法，是区块链挖矿和人工 智能的桥梁。Tensority 算法包含的矩阵乘法是人工智能中最通用的算法，几乎 所有人工智能设备都能友好地兼容这种算法。同时，Tensority 算法选取的数据 类型是 int8，是一种在插电型 AI 设备通用的数据类型。Tensority 算法的这些 设计可以让智能摄像头、正在充电的 AI 手机等通用型人工智能设备都能参与比 原币挖矿。Tensority 算法可能带来以下的一些场景:

◼ 区块链共识所需的计算也可以应用于 AI 硬件加速服务，这将产生更大 的社会效益。

◼ 人工智能友好型挖矿将扩大市场对人工智能 ASIC 芯片的需求，促进芯 片产业的发展，这与当前 GPU 友好型 PoW 区块链对 GPU 市场的提振 效应如出一辙。

◼ 降低了矿工部署算力的成本，当矿机被淘汰或者闲置时，仍然可以用于 人工智能的加速服务，避免硬件资源的浪费。

◼ 更多通用型人工智能设备将参与到区块链挖矿中，这将有助于扩大区块 链的渗透率。