【猫眼看世界】共识算法“黑客指南”

在每一个成功的加密货币背后，都有一个一流的共识算法——在加密领域，共识算法可以防止双重支出。 虽然没有一种共识算法是完美的，但它们各有长处。 区块链初创公司patchLabsIO首席技术官、SF Ethereum Meetup创始人Zane Witherspoon，Zane Witherspoon将为大家简单介绍一下目前主流的大部分共识算法——从区块链发展之初到问世DAG（有向无环图）的共识机制是如何演变的。

本文编译自猫眼财经聚焦Hackernoon。 原标题为《共识算法漫游指南》，内容已删。

来源 | 哈克午

编译 | 梅瑞狄斯于

工作量证明（PoW）——常用的共识算法

热门应用：比特币、以太币、莱特币、狗狗币

优点：成熟并投入使用

缺点：吞吐量慢； 高资源消耗

工作量证明（PoW）是自区块链出现以来的第一个共识算法。 该算法由中本聪设计，用于记录比特币之间的交易。 而全球范围内的大规模挖矿作业和巨大的能源消耗也都归功于PoW。 我们已经知道这个算法是有效的，但是随着区块链技术的发展，PoW 逐渐被淘汰——甚至以太坊也退出了 PoW，转而采用节能、经济高效的 PoS。 有这么多新选择，新区块链没有理由坚持 PoW。

在 PoW 中，矿工解决困难但无用的问题来创建区块，而 PoW 本身依赖于“链越长越好”的系统。 假设大多数矿工都在同一条链上工作，那么增长最快的链就是最长和最值得信赖的。 因此，如果超过 50% 的工作是由诚实的矿工投入的，那么比特币就是安全的。

权益证明（PoS）——区块（链）的“新新人类”

热门应用：Decred、Ethereum（即将推出）、Peercoin

优点：攻击成本更高； 分布更广； 高效节能

缺点：“无风险”问题

在 PoS 中，区块不是由挖矿的矿工创建的，而是由“打赌”哪些区块有效的铸币者创建的。 在多个分叉中，铸造者花费他们的代币来投票给特定的分叉。 假设大多数人投票给了正确的分叉，投票给错误分叉的验证者“失去了他们在正确分叉上的股份”。

Proof-of-Stake 的反对者经常批评它的“无风险”问题——验证者可以支持一个几乎没有计算能力的分叉，并且可以对每一个出现的分叉进行双面投票。 那么 PoS 中的分叉可能比 PoW 中更普遍，这让人质疑货币的可信度。

委托权益证明（DPoS）——选择你的验证者

热门应用：Steemit、EOS、比特股

优点：交易便宜； 可扩展性； 高效节能

缺点：牺牲去中心化的理念换取高交易速度

委托共享证明 (DPoS) 是 BitShares 创始人 Daniel Larimer 的创意。 这个共识系统实际上与 PoS 有很大的不同。 在 DPoS 中，代币持有者自己不对区块的有效性进行投票，而是对代表他们进行验证的代表进行投票。 There are usually 21-100 elected delegates in a DPoS system. 在受托人数量较少的情况下，他们可以有效地组织自己并为每个受托人创建指定的时间段来发布受托人块。 如果代表持续缺席或发布无效交易，持币者将投票淘汰他们并选出有能力的代表。

在 DPoS 中，矿工可以合作创建区块，而不是像 PoW 和 PoS 那样竞争记账权。 通过部分中心化区块创建，DPoS 能够比大多数其他共识算法更快地实现交易吞吐量数量级。 EOS 将成为第一个区块生成时间小于 1 秒的区块链，比比特币的区块生成时间为 10 分钟更快。

权威证明 (PoA) - 对权威的信任

热门应用：POA Network、以太坊高文测试网

优点：高吞吐量； 可扩展性

缺点：集中式系统

权威证明是另一种共识算法，其中交易有效性由许可账户验证——许可账户就像系统的“管理员”，他们是其他节点的权威。 PoA 具有高吞吐量，并针对专用网络进行了优化。 但由于 PoA 的高度中心化，公链很少使用这种共识机制。

重量证明（PoWeight）——越大越好

热门应用：Algorand、Filecoin、Chia

优点：可定制； 可扩展

缺点：激励机制难以设定

权重验证是基于 Algorand 共识模型的共识算法的广泛分类。 具体来说比特币使用的共识算法是，在 PoS 中，你持有的代币占全网的百分比代表你“发现”下一个区块的概率。 在 PoW 系统中，使用了其他一些相对加权的值。 例如，Filecoin 的 Proof-of-Spacetime 会根据你存储的 IPFS 数据量进行加权，其他系统也会包括信誉证明等权重。

拜占庭容错 (BFT) - Siege Blockchain

热门应用：Hyperledger、Stellar Lumens、Dispatch 和 Ripple

优点：高吞吐量； 低成本; 可扩展性

缺点：半可靠

典型的拜占庭问题是几个拜占庭将军率领他们的军队围攻一个城市。 他们必须一致决定是否进攻。 某些将领单打独斗，围剿必将失败。 将军之间通常相隔很远，必须通过传递消息进行交流。 同样，一些加密货币协议使用多个版本的 BFT 来达成共识，每个版本都有自己的优点和缺点：

Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT)：拜占庭容错是解决这个问题的方法之一，也是 Hyperledger Fabric 目前使用的算法，只有少量（通常少于 20 个）预先选择的“将军”PBFT 运行非常高效。优点：高交易吞吐量缺点：使用准入机制

联邦拜占庭协议 (FBA)：FBA 是 Stellar 和 Ripple 等货币使用的拜占庭将军问题的另一类解决方案。 即每个拜占庭将军负责自己的链，他们一进来就建立真值排序消息。在Ripple中，将军（验证者）由Ripple Foundation预选。 在 Stellar 中，任何人都可以成为验证者，因此您需要选择您信任的验证者。

由于其惊人的吞吐量、低交易成本和网络可扩展性，我认为类FBA共识算法是所有分布式共识算法中最好的一种。

有向无环图 (DAG) - 区块链杀手

热门应用：Iota、Hashgraph、Raiblocks/Nano

优点：网络可扩展性； 低成本

缺点：取决于实施

DAG是一种不使用区块链数据结构，主要异步处理交易的共识算法。 它与任何其他共识算法具有相同的优点和缺点。

Tangle：Tangle 是 Iota 使用的 DAG 共识算法。 为了发送 Iota 交易，您需要验证过去的两笔交易。 这种二对一的支付共识增强了交易的有效性，Tangle 获得了更多的交易。 因为共识是由交易决定的，理论上比特币使用的共识算法是，如果有人能产生1/3的交易，甚至可以让无效的交易生效。 在创建的交易量不到 1/3 之前，Iota 可以在称为“协调器”的中心化节点上“仔细检查”所有网络交易。 Iota 说 Coordinator 就像系统的训练轮，一旦 Tangle 足够大，它就会被移除。

Hashgraph：Hashgraph 是由 Leemon Baird 开发的八卦协议共识算法。 所有节点随机与其他节点共享其已知交易，因此最终所有交易都可以传递到每个节点。 Hashgraph速度非常快（每秒超过250,000笔交易），适用于私有链或联盟链，但短期内不会应用于以太坊和Dispatch等公链。

区块格：在区块格中，每个用户（地址）都有自己的链，只有他们可以写，每个人都有所有链的副本。 并且每笔交易都分解为发送方链上的发送块和接收方链上的接收块。 这种独特的结构确实使区块格难以防御特殊的攻击向量，例如 Penny-spend——攻击者将少量节点发送到多个空钱包，以夸大链上必须跟踪的节点数量。

SPECTER：工作量证明事件的序列化：通过递归选举确认交易，也称为 SPECTER，是一种提议的比特币扩展解决方案——利用 PoW 和 DAG 的组合来实现可扩展的共识算法。 在 SPECTER 中，块被挖掘指向多个父块，而不仅仅是一个，因此网络每秒可以处理多个块。 挖掘一个指向父块的块可以增强这些块的有效性。 与“链越长越好”的 PoW 相比，SPECTER 遵循“子块越多越好”的原则。 SPETER 尚未广泛使用，可能会出现新的攻击向量，但它仍然是未来修复比特币的最佳方法之一。

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