让上帝掷骰子-对共识机制的浅层分析

在任何一个组织或社区中，共识至关重要。只有有个共识，才有集体，才可以同行，因此才能带来价值。区块链的创造性在于通过算法、代码实现分钟级，甚至秒级的共识达成，从而极大地提升了效率，实现对传统行业的改造。

目前在各种项目中使用的共识机制花样繁多，包括 POW，POS，DPOS，xBFT（各种拜占庭容错协议），VRF+X, POR, POST, POP, Kafka 等等不一而足，让人眼花缭乱。对于初学者而言，往往无处着手，本文通过浅层分析，希望拨开云雾，见得真章。

基础假设：大多数人目标一致，但坏分子善于隐藏

在一个现实的，非理想化的世界，区块链公链基于这样一个假设：在一个自组织的社区中，多数人（超过一半或2/3）目标一致，为人诚实，懂得趋利避害，但无利不起早；同时，可能存在一部分不诚实，或者是浑水摸鱼，甚至蓄意破坏的分子。这些坏分子可能是任何人，其行为只有通过事后验证才能发现。更糟糕的是，任何人在利益面前都可能禁不住诱惑，由好变坏。

我们可以看到，这是一个完全合理的假设，其中没有主义，没有理想，但反映人性。

在继续讨论之前，还有一个定义要说明一下，那就是交易，在一个区块链的系统中，任何行为都被称为交易，交易的实质就是执行一个事先约定好的规则，并因此带来状态的改变（包括价值的转移）。注意，这里的交易并不只是代表数字货币的转移，其他行为也算（这是智能合约带来的好处），但从本质上来讲，交易总会带来价值的转移，因为任何事物都包含价值。

好了，问题来了：既然任何人都可能是捣乱分子，那么就可能有人构造虚假交易，或不承认已经发生的交易，从中渔利；或破坏系统，达到其他目的。既然如此，那么由谁来记录交易就十分重要。

解决之道：让上帝来掷骰子

既然不能信任任何人，那谁愿意又有谁有权利来记录交易呢？如何保证系统的可靠运行呢？解决办法是：

利诱：给记录交易者有吸引力的费用 （矿工挖矿）

验证：无论交易者是谁，其交易记录必须通过验证，验证人数足够多或随机分散，多或分散到不能被坏分子腐化的程度

随机：让上帝掷骰子，没有人事先知道谁会是记账者

我们讲的共识机制，更多地集中在如何随机选择记账者上面，有一些协议也会涉及到选择验证者。注意，这里说的是让上帝来掷骰子，上帝不是任何一个人，不是任何一个系统中的参与者，没有人有能力影响上帝，因此上帝的选择是没有人事先知道的。

那么，当一个破坏分子希望从系统中获利，他就必须首先腐化记账者或自己称为记账者，由于其不知道谁会成为记账者，这个成本会非常高；其次，他需要腐化或控制验证者，这个成本也会很高，因为他需要腐化或控制超过一半的人。

单纯的POW 和 “聪明”的POS

上帝如何公平地掷骰子呢？比较流行的有两种办法，一种叫POW（Proof of Power，工作量证明），另一种叫POS（Proof of Stake，权益证明）。

POW: 人人可以打工挣钱

毫不客气地说，POW仍然是现在看起来最公平，最安全的一种共识机制。无论你是否已经持有币（或通证），只要愿意参与记账，就有机会获得收益。与出身无关，与资产无关。

以比特币为例，只要愿意参与记账，你就可以加入算力至整个网络，那么你的算力除以全网总算力就是你获得记账权的概率。至于那一笔账由你来记，只有上帝知道。长远来看，这就是一个按劳分配，多劳多得。

但是，POW是根据算力竞争来获取记账权，其最受诟病的也是这一点。因为无论有没有记账，在争夺记账权的过程中，都会消耗大量的算力，当竞争者越来越多，消耗的算力也越来越大。看起来是一种资源的浪费。因为看起来一个人记账其他人验证就可以了，但大量的电力根本就不是花在记账和验证上，而是竞争记账权上面。当然，从经济学上说，这里可以有另一个解释，在这个经济体系里，每一次记账挖出的比特币的价值基本上等于全网消耗的资源成本，这似乎是行得通的。

POS：只是减少能源消耗？背后还有小九九

在POW消耗大量算力的情况下，是不是有其他方式来竞争记账权，一样公平而同时成本低廉呢？POS就是基于此想法而提出来的。POS的原则是，持有代币（通证）越多，记账的机会越多，在这个前提下，竞争记账权的消耗与POW相比要少很多，当然其中仍然需要上帝掷骰子。但这个时候上帝的骰子不是每个人均等的，而是按照资产拥有量的不同而有所不同。

但是，不知大家注意没有，这里有一个问题，如果一个人想获得更大的挖矿收益，他最好是囤币，越多越好。作为一种代币（通证）来说，其最大的价值体现当然是用于流通，流通才产生价值。而囤币或锁币是制造稀缺，是抬高市价。一个代币体系如果要真正为人类带来改变，应该是更大范围内的使用。而锁币是于此相悖的。一个代币体系的机制设置本不应如此，本应该是尽量避免这种情况的。然而，这种情况现在已经变得非常普遍，通过锁币机制，通过囤积居奇来制造稀缺，从而提高币价，给持币人带来利益。只能说这是一个逐利的时代，有利的事情总是趋之若鹜的。

DPOS，Kafka：中心化和半中心化记账

上帝本是不受任何人差遣的，所谓上帝掷骰子实际上是一种算法设计。都是通过大量的算力，通过统计概率以及密码学的方法来获得不可预知的随机选举。这种消耗使得整个系统效率很低，很难应付大规模的应用。

有没有办法提高呢？办法之一就是不搞完全地去中心化，搞半中心化或中心化。EOS的DPOS机制就是半中心化的例子。其实质就是减少协调成本，不让低端节点接入记账拉低整个系统效率。21个超级节点在处理能力和运算能力上都有很高的要求，从而提升整个系统的效率，但是，我们可以看到，这里上帝就是这些超级节点组成的群，个人已经被排除在外。

还有更进一步的做法，往往在联盟链或私有链之中，比如Hyperledger Fabric采用Kafka集群来体现共识机制，这基本上就是中心化记账了。上帝已经被抛弃。

VRF， POR/POST：让上帝开挂

抛开中心化和半中心化的共识机制不谈，那么完全去中心化的共识机制到底有没有更好的、更节能的方法呢？关于这一点，业界一致在做积极的探索。

VRF+PBFT：让POW轻快起来

麻省理工学院教授、图灵奖得主 Silvio Micali教授及其同事一起提出了一种可以让POW轻快起来的办法。这个办法就是“Scaling Byzantine Agreements for Cryptocurrencies” （用于加密货币的可扩展的拜占庭协议）。

我们知道比特币的POW共识机制是让每一个人都同等地参与运算，谁找到一个满足条件的随机数谁就夺得记账权。而这个随机数是只能猜的，完全没有规律可言。相当于是上帝安排了。那么当网络中有太多的人参与的时候，而只有一个幸运儿，其他人的计算就是陪衬。算力被“浪费”掉了。那一个自然而然的想法就是，能不能每一轮都只让一部分人加入竞争，这样没有加入竞争的人就不用算了。Silvio Micali说，这是可以的，而且可以是公平的。办法就是，让上帝掷两次骰子。

1. 每一轮都通过算法来随机选取出参与竞争的记账者 （要上帝掷骰子决定）

2. 只有被选出竞争者才可以通过竞猜随机数来争夺记账权（上帝还要掷一次骰子）

这其中的关键是什么？就是每一步都要公平，都是在目前的认知水平上完全随机的，只有上帝知道。其中的第一步就用到了可验证的随机函数。Silvio Micali教授创建了 Algorand项目，近日募得约4.5亿（人民币）资金。对一个不发币的项目，引起如此的重视。其技术实力和影响力可见一斑。

Filecoin 的 POR/POST：解决POS的不足

近日，V神提到与IPFS网络结合来解决POS记账的问题。这是一个很大的进步。前面我们提到POS的一个副作用就是认为制造稀缺，路子走得有点歪。但IPFS之上的激励层，采用的是与POS相似的共识算法，称为POR（Proof of Replication：复制证明）和 POST（Proof of Space&Time：时空证明。也就是说，矿工的记账权与矿工提供的用于服务的存储空间是直接挂钩的，是成正比的。

这才是真正的POS（Proof of Service/Storage：服务证明，而不是 Proof of Stake：权益证明）。Proof of Service 和 Proof of Stake最大的区别在哪里？前者是劳动和付出证明，而后者是资产证明。也就是说，前者是付出即有所得，而后者是资本家收取利息。两者都能大大降低资源的消耗，对于一个现代文明而言，我们当然希望选择前者。

共识机制是去中心化系统最关键的环节，希望通过业界的共同努力，能有更高效、更节能、更安全的算法推出，得到验证和被采用。当共识算法的效率得到解决，去中心化的平台和应用必将发生翻天覆地的变化，得到普及。