从蒸汽机车到高铁，从POW到SPOS的共识机制史

共识机制是区块链的核心技术之一，无论发展到哪个阶段，都应该是我们关注的重点。

共识机制允许分布式网络可靠地处理一个或多个节点的故障。 失败的节点可能会表现出一种经常被忽视的行为类型，即向系统中的其他节点发送冲突信息。 通过共识机制，所有节点可以达成共识，从而消除冲突信息，保证节点信息状态的一致性。

从蒸汽机车到高铁，从POW到SPOS共识机制历史上区块链最早采用的共识机制是比特币引入的PoW。 后来随着时间的推移和技术的发展，Sunny King 推出了 PoS 机制来解决 PoW 的各种缺点（落地性能为 Peercoin）。 后来V神受此启发创建了以太坊，BM在此基础上开发了DPoS。 直到最近Sunny King卷土重来，推出了新的共识机制SPoS。 接下来，小编就带大家了解一下各个共识机制的发展历史。

一、中本聪的比特币和POW

POW，Proof Of Work（工作量证明），最初来源于用于反垃圾邮件的HashCash算法。 1998年，密码学家戴伟提出了B-money设计，将POW与签名交易技术相结合。 这是POW机制作为数字货币共识机制的首次提出，但B-money并没有解决大家熟知的区块链。 “双花”问题。

2008年，中本聪结合密码学和去中心化技术的精髓，发表了划时代的论文《btc: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》，提出了区块链的数据结构。 区块链可以建立一个无需信任的去中心化电子交易系统。 2009年1月，btc网络正式上线，开源客户端版本发布，比特币诞生。

比特币采用POW共识，规定矿工在处理交易数据（即对数据进行哈希处理）的同时，不断对打包后的交易数据添加一个随机数，进行哈希计算，得到前23位数字。 哈希值 0 用作块的随机数。 当全网的矿工哈希出这个nonce后，他会发布他打包好的区块。 在收到并验证区块后，其他节点将同意该区块已在区块链上接收并继续。 下一个块的打包和散列。

由于很难获得满足要求的随机数，因此保证在一段时间内系统中只会出现少数合法提案。 同时，这些少量的合法提案会在网络中广播，接收到的用户会在验证后根据自己认为的最长链继续计算。 因此，虽然系统中可能存在链分叉（Fork），但最终还是会有一条链成为最长的链。

哈希问题是不可逆的。 因此，除了暴力计算外，没有有效的求解算法。 反之，如果获得了满足要求的nonce，则意味着相应的算力已经按概率支付了。 谁的算力大，谁先解决问题的概率就大。 当你掌握了全网一半以上的算力时，你就可以从概率的角度来控制链条的走向。 这也是所谓51%攻击的由来。

比特币作为最早的区块链货币，始终存在不完善之处。 比特币为了交易安全牺牲记账效率，采用POW机制，但随着节点的增多，挖矿带来的高能耗问题逐渐暴露出来。 今天，全球比特币网络消耗的能源几乎等于三峡大坝发电量的2/3。

战俘的优势：

1）去中心化，公平分配记账权给其他节点。 一个节点可以获得的币量取决于其挖矿贡献的有效工作量。 也就是说，节点挖矿使用的矿机性能越好，分配给节点的收益就越多。 这是根据节点工作量证明来实现币的分配。

2）安全性高，破坏系统代价大。 如果你想作弊，你必须拥有压倒大多数人的计算能力（51% 攻击）。 因为作弊是要付出一定代价的，作弊者都会谨慎对待。 在比特币的POW机制中，由于获得计算结果的概率与算力的比例接近，矿工造假成本明显高于未掌握51%以上算力的诚实挖矿。 完成欺诈的可能性（由于概率低）。

战俘的缺点：

1）挖矿造成大量资源浪费。 目前，比特币吸引了世界上大部分的算力。 这将基于算力的奖励公平分配机制转变为对矿机算力的大量投入，扭曲了中本聪的设计初衷。

2）需要等待多次确认，网络性能太低。 比特币区块链共识周期长（10分钟），每秒交易上限现在是7笔，不适合商业应用（Visa平均每秒交易量几万，支付宝峰值接近9万）

3）POW共识算法算力中心化，逐渐偏离原来的去中心化轨道。 从比特币扩容之争可以看出，大型算力高的矿池才是主人，持币者无权参与决策。 比特币即将失去“去中心化”的标签。

Pow还是有很多缺点的。 是否有更好的解决方案来解决其中一些问题？ 看看 Pos。

2. Peercoin 和 Sunny king 的 POS

在比特币之后，也出现了很多模仿比特币的区块链货币，比如莱特币等，但这些货币都采用了效率低、能耗高的POW机制。 区块链领域已经很久没有革命性的创新了。

直到2012年，Sunny King发布了点点币（Peercoin，又称PPCoin，PPC），并在点点币中首次提出了POS共识机制，改变了POW的历史，点点币也是第一个采用POS的区块链货币世界的历史已经载入史册。 此后出现的以太坊和EOS只是Sunny King思路的延续，更不用说其他公链了。

POS，Proof of Stake（股权证明机制），是POW共识机制的升级版。 POS根据各节点占用代币的比例和时间决定记账权和奖励； 挖矿难度按比例降低，从而加快寻找随机数的速度，因此POS不需要大量的算力来维护网络安全。

简单地说：持有的越多，得到的越多。

POS 试图解决 POW 机制中大量资源被浪费的情况。 该机制通过计算节点持有的货币占总货币的百分比和货币的年龄来确定节点获得记账权的概率。 其中，币龄=持币数量*持币时间。 一旦转币比特币具有哪些缺点，用户转币所涉及的币龄将归零。

在 POW 机制中，往往需要耗费大量的电费和时间才能找到符合条件的 nonce。 因此，为了让每个区块的生成速度更快，POS机制去掉了穷举nonce的过程，然后采用如下更快的算法：

SHA256(SHA256(Bprev),A,t)≤balance(A)m

H 一些哈希函数

t 是 UTC 时间戳

Bprev 指的是前一个块

balance(A) 表示账户A的账户余额

等式右边的m是一个固定的实数，唯一可以连续调整的参数就是t。 因此，balance(A)越大，找到合理t的概率越大。 在网络中，一般对t的范围有限制。 例如，可以尝试的时间戳不能超过标准时间戳的1小时。 也就是说一个节点可以尝试7200次才能找到一个合格的t。 可以免除。 因此，在 PoS 中，一个账户的余额越多，在同等算力下就越容易找到下一个区块。

从以上描述可以看出，节点记账权的获取难度与节点持有的权益成反比。 与POW相比，POS共识在一定程度上减少了数学运算带来的资源消耗，出块性能也相应得到提升。 但仍然是基于哈希运算来争夺记账权，监管薄弱。 共识机制具有与 POW 相同的容错性。

POS的优点：

1）在一定程度上缩短了达成共识的时间。

2）挖矿不需要消耗大量能源。

3）当然，POS也可以防作弊，因为持有51%以上股权的人如果作弊，就等于在作弊自己，因为一个人不会把自己的钱砸死。

4）防止算力中心化造成矿工作恶。

POS的缺点：

1）仍然需要挖矿，本质上没有解决商业应用的痛点；

2）所有的确认只是一种概率表达，不是确定性的事情，理论上可能还有其他的攻击效果。

3）在极端情况下，会导致中心化的结果。 POS机制的安全性由股东自身保障，其工作原理是利益绑定。 在这种模式下，不持有POS的人无法对POS构成威胁。 POS 的安全性取决于持有者，与其他任何因素无关。 虽然 POS 解决了 POW 的能耗问题，但是全节点的确认会让区块确认的效率失效。 更多的货币奖励，从而拉大了贫富差距，最终导致50%以上的中心化节点，被动演变成意想不到的中心化结果。

4) 恶意节点验证者可以将自己的币质押在分叉链上进行硬分叉，不会有任何损失。 这个问题也被称为“nothing at stake”问题（但是在pow机制下，矿工分叉需要消耗算力资源，所以不会出现这种情况）。

Pos开创了新的共识，创新性强但不完美。 看看Casper是如何进化的？

3. Eth和Casper困难的共识机制

自从V神在2014年1月发布了Eth白皮书《Ethereum: A Next-Generation Cryptocurrency and Decentralized Application Platform》之后，使用Eth的人越来越多，很多人在Eth上发布了各种智能合约。 智能合约的运行给基于 POW 机制的 Eth 网络带来了巨大的压力。 Eth 网络不断拥堵，Gas 价格居高不下。 如此一来，网络确认时间大大延长，DAPP 运营成本飙升。 随着用户的增长和DAPP的增加，整个以太坊网络逐渐陷入困境。

为了提高以太坊的运行效率，以太坊创始人V神计划在以太坊中引入改进版的POS共识，逐步取代目前使用的POW共识。 这种 POS 的改进版本称为 Casper。

Casper是基于保证金的经济共识协议（security-deposit based economic consensus protocol）。 是以太坊未来计划采用的一种共识机制。 它是POS的分支扩展，旨在解决POS中的无利害关系问题。 （“没有任何风险”，即验证者通过在给定高度对多个冲突块进行投票来免费破坏网络安全）。

Casper协议中的节点，称为“bonded validators”，必须先支付押金（这一步称为lock deposit，“bonding”），才能参与区块生成和共识形成。 区块生产是一个独立于其他一切发生的过程：验证者收集交易，当轮到他们生产一个区块时，他们生产一个区块，对其进行签名并将其发送到网络。 Casper 共识协议通过直接控制这些存款来约束验证者的行为。

具体来说，如果验证者做了任何 Casper 认为“无效”的事情，他的保证金将被罚款，出块和参与共识的权利也将被取消。 保证金的引入解决了“no stake problem”，即经典POS协议中做坏事的成本很低的问题。 现在有一个价格，被客观证明做错事的验证者将付出这个代价。

很容易看出，验证者的签名只有在他的签名当前被绑定的情况下才具有经济意义。 这意味着客户只能依靠他们知道的验证者的签名来锁定存款。 因此，当客户端接收并验证共识数据时，共识批准的链必须源自当前锁定债券的验证者的区块。

从蒸汽机车到高铁，从POW到SPOS的共识机制史

在POW协议中，共识认可链起源于创世块——只要知道创世块的数据，就可以识别出共识认可链。 在这里，只要你知道当前锁定存款的验证者，你就可以识别共识批准的链。 不知道当前锁定存款的验证者列表的客户必须首先通过其他渠道获取此列表。 此限制通过要求每个人使用当前信息验证共识来解决“远程攻击”问题。

验证者列表随着验证者保证金的不断锁定、削减和解锁而变化。 如果客户端离线时间过长，其验证器列表将变得陈旧，无法用于验证共识。 如果客户端经常在线，它可以与最新的验证者列表保持同步，但问题是在第一次同步之前，客户端仍然需要从其他渠道获取最新的锁定保证金验证者列表。

这种“需要至少识别一次其他渠道的共识”的属性，正是V神所说的“弱主观性”。 在我们的上下文中，如果信息可以在协议内得到验证，则称为“客观”，如果必须依赖协议之外的方式才能验证，则称为“主观”。 在弱主观性共识协议中，分叉选择规则是有状态的，因此客户端必须初始化（有时更新）该状态以识别共识。 在这里，此状态用于识别当前锁定债券的验证器（或更准确地说，当前验证器列表的加密哈希）。

2018 年 8 月 31 日，以太坊网络的 14 位核心开发人员通过视频通话决定将 Casper 的开发推迟 12 个月。

卡斯帕的优势：

1）系统可以快速惩罚节点的恶意行为，从而避免无害的攻击。

2) 帮助以太坊大大提高共识效率，使以太坊在基础共识机制上区别于比特币。

Casper 的缺点：

1）设计更复杂，更容易出现漏洞

4. BM的EOS和DPOS共识机制

由于比特币的POW机制导致运行效率极低，Daniel Larimer (BM)决定在区块链技术中引入一种新的共识机制——DPOS，基于POS技术的结合，以取代交易速度极慢的POW . 2014年2月，BM发布Bitshares（又名BTS，比特股），首次采用DPOS技术。 但是Bitshares因为技术不成熟导致了一系列的问题。

后来被称为区块链 2.0 的以太坊已经难以支撑庞大的去中心化商业应用生态。 于是，BM决定以以太坊为对手，建立区块链操作系统EOS。 这个新系统融合了BM对区块链技术的理解和总结，使用了改进的DPOS共识机制。

DPOS，Delegated Proof of Stake（委托权益证明），是一种基于POW和POS的新型共识算法。 既可以解决 POW 能量消耗过大的问题，又可以避免 POS 权益分配下可能出现的“信任平衡”偏向问题。

DPoS中的“D”是“Delegated”，意思是授权和委托； DPoS 和 PoS 的主要区别是所有代币持有者选出若干代表，代表参与记账。

EOS 将民主选择的代表定义为区块链网络中的区块验证者。 术语“代表”可以与“区块验证者”等同使用。 EOS 规定 21 个代表作为网络中的主节点，创建新区块，签署和验证交易。 这些代表是由 EOS 代币持有者投票选出的“授权公司”。 设计 21 个“委托人”是因为过多的委托人（比如 BTS 使用的 101 个）会分散 EOS 代币持有者的注意力，削弱代币持有者的决策权。

从蒸汽机车到高铁，从POW到SPOS，共识机制历史采用EOS.IO软件，区块以126个区块为一轮（共有21个生产者，每个生产者可以在三秒内生产6个区块，平均每 0.5 秒一个区块）。 在每一轮开始时，通过代币持有者的投票选出 21 个区块生产者。 选定的生产者按照商定的顺序生产区块，该顺序由 15 个或更多生产者商定。

从理论上讲，这可以极大地提高系统性能，但同时也带来了网络延迟问题：0.5 秒的确认时间会导致下一个区块生产者在收到前一个区块生产者的区块之前产生下一个区块。 块，则下一个块生产者将忽略前一个块，导致区块链分叉（有两个块处于相同的块高度）。 例如：中国证人可能会被美国证人跟随。 中美之间的网络延迟有时高达300ms。 块将被跳过。

为了解决这个问题，BM将原来的随机出块顺序改为由见证人协商确定的出块顺序，使得网络连接延迟低的见证人可以生产相邻的区块。 例如：日本的证人之后是中国的证人，俄罗斯的证人之后是证人，英国的证人之后是证人，美国的证人之后是证人。 这大大减少了见证人之间的网络延迟。 这使得理论上可以实现 0.5 秒的区块生成速度。

如果一个生产者错过了一个区块并且在 24 小时内没有生产任何区块，该生产者将被移除。 这些“宕机”的生产者在他们及时通知区块链他们打算再次生产区块之前不会重新加入。 通过不安排不可靠的节点并最大限度地减少错过的块创建，整个网络可以更流畅地运行。

DPOS 优势：

它可以将维持网络运行的能耗降到最低，以低成本的方式管理整个链的运行，很大程度上解决了POW的能耗问题。

更快的出块速度，实现平均0.5秒的出块速度，大大提高了系统的运行效率和吞吐量。

更加“去中心化”的管理方式，将区块链网络运行的决策权分散到全网各个节点，很大程度上避免了POS容易被经销商操纵的“持有”现象。 DPOS共识机制的出现，将通过在区块链上实现“民主”来抵消“中心化”的负面影响，以公开选举的“弱中心化”方式提高网络运维效率。

DPOS缺点：

股东投票的积极性不高。 绝大多数股东（90%+）从未参与投票。 这是因为投票需要时间、精力和大多数投资者所缺乏的技能。

实现复杂，中间步骤多，处理坏节点难度大。 社区选举不能有效及时阻止一些破坏节点的出现，给网络带来潜在的安全隐患。

Dpos虽然效率很高，但其缺点也不容小觑。

5. Sunny King 全新的SPOS共识机制

随着区块链的爆发，世界上很多天才在Sunny King的基础上发明了各种变形的POS。 但这些只是对POS的一些小改动，自身存在各种问题，无法支持未来大规模高性能的商业级区块链。

Sunny King也在不断反思POS的不完善之处。 当其他人都在努力改进 POS 时比特币具有哪些缺点，Sunny King 最近带着他多年反思的结果回来了：这个结果就是下一个版本的 POS，这个版本或者说它可以开创一个新时代，支撑未来的区块链经济。

这个新版本的 POS 具有更高的性能和安全性，是称为 SPOS 的下一代共识机制。

SPOS，supernode proof-of-stake（超级节点权益证明机制），将在区块链数据云项目VEE中引入。

SPOS 的一大特点是使用固定的出块时间。 系统有60个节点，其中15个为主节点，45个备节点。 每个节点都具有极高的计算性能和网络带宽，使整个系统具有极高的吞吐量和运行效率。

整个系统有60个币槽，每个币槽代表一分钟内固定时间内出块的权限。 系统运行时，每个槽依次出块（由获得币槽所有权的节点）。

每个节点都可以竞争使用每个铸币槽的权利。 由于每个节点对应一个VEE账户，而每个账户可以绑定9个钱包地址，竞争时使用其中一个地址竞争一个槽位，一个地址只能竞争一个槽位，所以每个节点最多9个币槽可以同时被占用，防止一个节点占用所有币槽。

SPOS系统在运行时，实际上是每个节点轮流出块，这样可以将某个节点的偶发故障对整个系统的影响降到最低。

由于每个时隙上的节点都需要根据时间出块，因此各个节点之间的时间同步非常重要，因此采用网络时间协议（NTP）来保证每个节点能够按顺序出块。 片。

NTP 是一种用于同步计算机时间的协议。 它可以使计算机与其服务器或时钟源（如石英钟、GPS等）同步，并且可以提供高精度的时间校正（在局域网上和标准上相差小于1毫秒，在局域网上几十毫秒WAN），通过加密确认可以防止恶意协议攻击。 NTP 的目的是在混乱的 Internet 环境中提供准确和健壮的时间服务。

节点可以随时发起对币位使用权的竞争，但为了防止竞争机制被滥用，系统会收取较高的竞争费用作为威慑。 当节点作为挑战者向币槽使用权所有者发起竞争申请时，SPOS协议会比较挑战者账户在币槽上的权益与被挑战挖矿节点在币槽上的权益。 (stake) 帐户，然后决定比赛的获胜者，并将硬币插槽的使用权授予获胜方。

虽然比赛的获胜者通过更多的质押赢得了比赛，但这些质押的流动性仍然可以得到保证，铸币节点可以从自己的账户地址中转出质押。

即使从 POS 协议的角度来看，同时向不同地址和币槽转移相同的 stake 的竞争也是被禁止的，这无异于双花攻击。

从蒸汽机车到高铁，从 POW 到 SPOS 的共识机制发展史 但由于权益的流动性，部分节点会迅速将权益从一个地址转移到其他地址，以争夺其他币位争夺投币口的所有权。 从而形成忙争用攻击（busy contention attack）。

为了防止这种攻击，使用余额随时间的累积平均值作为地址账户余额在铸币槽竞争中的衡量标准。 如果让权益快速流动，地址账户的累计均值会随着时间的推移显着下降，从而大大降低地址账户面对挑战的竞争力，以至于当节点发起繁忙的竞争攻击时，这将导致 Outgoing 地址账户很容易失去铸币权，从而阻止节点发起此类攻击。

用户可以将自己的股权（stake）借给节点。 当节点通过出块获得收益时，可以按比例向权益出借方分配分红。 节点账户余额虽然是计入租赁权益，但节点账户无权使用/转让这部分权益，权益出借方可以收回这些出借权益随时。

如果某个节点的租赁权益数量增加，那么由于单个节点的收益是固定的，总权益的增加必然导致分红率下降，从而抑制租赁权益的增加，从而形成内部自律机制。

这个系统在设计上看起来比较中心化，但是King也设计了一种机制来保证网络的安全，保证每个超级节点（supernode）拥有平等的权力，防止一个节点过于强大。

如果将 POW 比作旧而慢的蒸汽机车，那么 SPOS 就是高速舒适的现代高铁，是下一代区块链共识机制。

我们总结了一些SPOS机制：

· SPOS超级节点按照固定顺序出块；

· 以15个超级节点启动主网，随着网络的增长，超级节点数量增加到30-60个；

block之间的间隔是固定的，带来更好更稳定的延迟；

· 60 个投币槽，每个投币槽代表一分钟的 60 秒；

· 抢夺/释放机制也让铸币权的竞争更加公平（相对于DPOS，是币的数量，币可以在多个节点重复投票等）；

· 铸币平均算法MAB可以支持更好的币权流动性，防止币跑到一处，保持去中心化，保护网络安全；

SPOS机制带来的好处：

· SPOS是专为高性能区块链设计的底层结构；

· 固定区块间隔设计带来高吞吐量和更稳定的区块链网络（其他网络的高吞吐量无法保证稳定性，最终无法支持高性能业务运行）；

· 冷币的设计保证了区块链更安全的性能；

经济体系的设计鼓励生态系统不断投入升级超级节点，保证了系统的运行效果不断提升；

区块链技术最大的关注点是共识。 我们看到共识技术的不断进步，这也是极客精神的体现。