【区块链】共识算法简介

共识算法简介

区块链三要素：

• 去中心化
• 共识算法
• 智能合约

共识算法作为区块链三大核心技术之一，其重要性不言而喻。今天就来简单介绍共识算法的基本知识。

最简单的解释，共识算法就是要让所有节点达成共识，保证少数服从多数！大多数人认定一件事，这件事就是事实，也就意味着如果你要去改变一个既定事实，那么你必须伙同大多数人陪你一起作假。

共识算法分类

区块链共识算法的分类标准不一，且其种类和数量还在增长，但可以大致根据容错类型、部署方式和一致性程度等加以分类。

• 容错类型：区块链共识算法分为拜占庭容错和非拜占庭容错
• 部署方式：将区块链共识算法分为公有链共识、联盟链共识和私有链共识
• 一致性程度：区块链共识算法分为强一致性共识和弱（最终）一致性共识等
• 选主策略：区块链共识算法分为选举类、证明类、随机类、联盟类和混合类

看到这里有些读者开始疑惑了，什么是选主策略呢？下表列出了常见的选主策略：

选主策略	具体解释
选举类共识	即矿工节点在每一轮共识过程中通过“投票选举”的方式选出当前轮次的记账节点，首先获得半数以上选票的矿工节点将会获得记账权多见于传统分布式一致性算法，如Paxos和Raft等
证明类共识	也称为“ProofofX”类共识，即矿工节点在每一轮共识过程中必须证明自己具有某种特定的能力，证明方式通常是竞争性地完成某项难以解决但易于验证的任务，在竞争中胜出的矿工节点将获得记账权；如PoW和PoS等共识算法是基于矿工的算力或者权益来完成随机数搜索任务，以此竞争记账权
联盟类共识	即矿工节点基于某种特定方式首先选举出一组代表节点，而后由代表节点以轮流或者选举的方式依次取得记账权，这是一种以“代议制”为特点的共识算法，如DPoS等
混合类共识	即矿工节点采取多种共识算法的混合体来选择记账节点，如PoW+PoS混合共识、DPoS+BFT共识等

部分常见的共识算法

常见共识算法表：

共识算法	用途
Paxos	Google Chubby
Raft	ETCD
ZAB	Zookeeper
PoW	比特币、莱特币、以太坊的前三个阶段
PoS	EER Coin、NXT、以太坊第4阶段
DPoS	BitShare
PBFT	Hyperledger Fabric
Hotstuff	Libra(Facebook/Meta)

常见共识算法图：

PoX类共识算法

PoX类的共识算法主要包括比特币所采用的PoW共识及一些类似项目（如莱特币等）的变种PoW，即为大家所熟知的“挖矿”类算法。

核心思想：实际是所有节点竞争记账权，而对于每一批次的记账（或者说挖出一个区块）都赋予一个“难题” ，要求只有能够解出这个难题的节点挖出的区块才是有效的。

此类算法的代表有：PoW,PoS,DPoS

• 工作量证明PoW（Proof of Work）算法，也被称为最耗电力的共识算法。在该算法中，所有节点通过提供工作量证明来争夺记账权，即最先提供足够的工作量证明的节点将向全网广播自己记的账（即区块），其他所有节点将该区块同步到自己的账本。
• 权益证明PoS（Proof of Stake）算法类似于股份制公司的股东机制，根据持有数字货币的量和时间，分配相应的利息。是由系统权益替代算力来决定区块链记账权的共识算法。即，拥有权益越大的节点则越有可能成为下一个区块的生产者。
• 委托权益证明DPoS（Delegated Proof of Stake）算法将成千上万个PoS节点，通过某种机制（例如持有代币的数量）选举出若干（奇数）个节点，在这几个节点之间进行投票选举（在一些实现中甚至会在这些节点间以令牌环的方式进行轮询，进一步减少投票开销）出每次的检点（出块）节点，而不用在网络中全部节点之间进行选择。

BFT类共识算法

与PoX类共识算法相比，BFT类共识算法采用了完全不同的思路。它希望所有节点协同工作，通过协商的方式来产生能被所有（诚实）节点认可的区块。

拜占庭容错问题最早由Leslie Lamport等学者于1982年在论文《The ByzantineGenerals Problem》中正式提出，主要描述分布式网络节点通信的容错问题。从20世纪80年代起，提出了很多解决该问题的算法，这类算法被统称为BFT算法。

非拜占庭错误（CFT）与拜占庭错误（BFT）：

• CFT（Crash Fault Tolerance）：通常用于处理失效节点，即那些停止响应但不会伪造信息的节点。这类错误可以通过如Paxos、Raft等算法来处理，它们往往性能较好，能容忍不超过一半的故障节点。
• BFT（Byzantine Fault Tolerance）：用于处理恶意节点，即那些可能发送错误或不一致信息的节点。这类错误更为复杂，因为恶意节点可能会试图破坏系统的一致性。

BFT类代表算法：

其中实用拜占庭（Practical BFT，PBFT）算法是最经典的BFT算法，由Miguel Castro和Barbara Liskov于1999年提出。PBFT算法解决了之前BFT算法容错效率较低的问题，且降低了算法的复杂度，使BFT算法可以实际应用于分布式系统。它能在恶意节点数不超过总结点数1/3的情况下达成共识。