挖礦與共識的一些認識

很多人知道比特幣，區塊鏈，但是整個網路是怎麼保證這個去中心化的？可能很多人並不了解，其實從挖礦這個角度去理解區塊鏈會更能抓住重點，了解了挖礦，你就了解了區塊鏈，了解了去中心化。

比特幣本質上是由分散式網路系統生成的數字貨幣，其發行過程不依賴特定的中心化機構,而是依賴於分散式網路節點共同參與一種稱為「工作量證明(Proof of Work, PoW)」的共識過程完成交易的驗證與記錄。

PoW共識過程(俗稱「挖礦」,每個節點稱為礦工)通常是各節點貢獻自己的計算資源來競爭解決一個難度可動態調整的數學問題,成功解決該數學問題的礦工將獲得區塊的記賬權,同時當前時間段的所有比特幣交易被打包記入一個新的區塊，並按照時間順序鏈接到比特幣主鏈上。

區塊鏈(Blockchain)是比特幣的底層技術，類似一個資料庫賬本，由分佈在不同區域的節點共同參與決策並記載所有的交易記錄，而決策規則的核心就是共識機制。

共識機制是決定按照哪一個參與節點記賬，以及確保交易完成的技術手段和機制。共識機制需要平衡效率與安全的關係，即安全措施越複雜處理速度就越慢，若要提高處理速度，必然要簡化安全措施的複雜度。

從目前看，區塊鏈技術的共識機制主要有：Pow(工作量證明機制)、PoS(股權證明機制)、DPoS(授權股權證明機制)、Pool(驗證池機制).

1、Pow工作量證明，就是大家熟悉的挖礦，通過與或運算，計算出一個滿足規則的隨機數，即獲得本次記賬權，發出本輪需要記錄的數據，全網其它節點驗證后一起存儲；

優點：完全去中心化，節點自由進出；

缺點：一是目前比特幣已經吸引了全球大部分的算力，使用PoW共識機制的區塊鏈應用很難獲得相同的算力來保障自身的安全;二是挖礦造成大量的資源浪費;三是共識達成的周期較長。

2、Pos權益證明，PoS是一個根據用戶持有貨幣的數量和時間派發利息的制度。在PoS模式下，有一個名為「幣齡」的概念，即每個幣每天產生1幣齡，如用戶持有100個幣，共持有30天，則其擁有的幣齡為3000。此時若用戶發現了一個PoS區塊，則其幣齡就會被清空，用戶每被清空365幣齡，將會從區塊中獲得0.05個幣的利息(可理解為年利率5%)。隨後，系統會進行一個SHA256的哈希運算，基於交易輸入和其他一些固定數據，以及當前時間得出哈希值。該哈希運算類似於比特幣的工作量證明，其難度與交易輸入的「幣齡」成反比。由於「幣齡」清空為零，每發現一個新塊，礦工的算力也歸為零。

優點：在一定程度上縮短了共識達成的時間

缺點：還是需要挖礦，本質上沒有解決商業應用的痛點

3、DPos股份授權證明機制，類似於董事會投票，持幣者投出一定數量的節點，代理他們進行驗證和記賬。

優點：大幅縮小參與驗證和記賬節點的數量，可以達到秒級的共識驗證

缺點：整個共識機制還是依賴於代幣，很多商業應用是不需要代幣存在的

4、Pool驗證池，基於傳統的分散式一致性技術，加上數據驗證機制；是目前行業鏈大範圍在使用的共識機制

優點：不需要代幣也可以工作，在成熟的分散式一致性演算法（Pasox、Raft）基礎上，實現秒級共識驗證；

缺點：去中心化程度不如bictoin；更適合多方參與的多中心商業模式。

總之，區塊鏈解決了在不可信通道上傳輸可信信息、價值轉移的問題，而共識機制解決了區塊鏈如何在分散式場景下達成一致性的問題。所以我認為區塊鏈的偉大之處就是它的共識機制在去中心化的思想上解決了節點間互相信任的問題。區塊鏈能在眾多節點達到一種較為平衡的狀態也是因為共識機制。儘管密碼學佔據了區塊鏈的半壁江山，但是共識機制是保障區塊鏈系統不斷運行下去的關鍵。

其實當分散式的思想被提出來時，人們就開始根據FLP定理和CAP定理設計共識演算法。

規範的說，理想的分散式系統的一致性應該滿足以下三點：

1.可終止性（Termination）：一致性的結果可在有限時間內完成。

2.共識性(Consensus)：不同節點最終完成決策的結果應該相同。

3.合法性(Validity)：決策的結果必須是其他進程提出的提案。

但是在實際的計算機集群中，可能會存在以下問題:

1.節點處理事務的能力不同，網路節點數據的吞吐量有差異

2.節點間通訊的通道可能不安全

3.可能會有作惡節點出現

4.當非同步處理能力達到高度一致時，系統的可擴展性就會變差（容不下新節點的加入）。

科學家認為，在分散式場景下達成完全一致性是不可能的。但是工程學家可以犧牲一部分代價來換取分散式場景的一致性，上述的兩大定理也是這種思想，所以基於區塊鏈設計的各種公式機制都可以看作犧牲那一部分代價來換取多適合的一致性，我的想法是可以在這種思想上進行一個靈活的變換，即在適當的時間空間犧牲一部分代價換取適應於當時場景的一致性，可以實現靈活的區塊鏈系統，即可插拔式的區塊鏈系統。