區塊鏈歷史賬本修改需要共識

『壹』 區塊鏈共識機制之一：POW工作量證明機制

區塊鏈可以理解為一個不可篡改的公共賬本，所有參與者都能驗證交易並進行記賬，即為分布式賬本。那到底由誰來記賬？又如何保證賬本的一致性、准確性呢？也就是區塊鏈的共識機制是如何的？

區塊鏈的共識機制就是解決由誰來記賬（構造區塊），以及如何維護區塊鏈的一致性問題。目前區塊鏈項目採用的共識機制有多種，如：POW工作量證明機制，POS權益證明機制，DPOS股份授權證明機制等等。本文說明POW工作量證明機制。

區塊鏈的第一個成功應用比特幣系統採用的POW工作量證明機制。即以比特幣系統為例說明POW機制，首先比特幣系統有一套激勵機制讓所有參與者競爭記賬的權利，即誰擁有記賬權誰將獲取構造新區塊的比特幣獎勵（目前獎勵為12.5比特幣），同時獲取新區塊內所有交易的手續費作為獎勵。

參與者如何競爭記賬權利呢？參與者通過自己的算力計算一道數學難題，誰先計算的結果，誰就擁有了記賬的權利，也就可獲得構造新區塊的獎勵。這道數學難題就是尋找一個隨機數Nonce，使得對區塊頭的哈希計算的結果小於目標值，Nonce本身是區塊頭中的一個欄位，所以通過不斷的嘗試Nonce的值，以滿足區塊頭的哈希計算結果小於目標值。通過動態調整目標值，即可調整計算的Nonce值的難度。

關於哈希計算Nonce的過程通常類比為擲篩子游戲，基於參與游戲的篩子的個數通過調整擲得篩子的點數可調整游戲的難度。例如：100個人參與擲篩子，總共有100個篩子，要求擲得點數為100為贏，則100個人誰先擲得點數100即為勝利者，即擁有了記賬權。如果發現大家擲出100點的時間太快，則可增加難度，要求擲得點數為80為贏。如果又有100個人參與游戲，則游戲中增加了篩子數，如：篩子數增加為200個，同樣通過設置擲得點數來調整游戲的難度。

篩子類似於比特幣網路的算力，擲得點數類似於比特幣網路可動態調整的目標值。

區塊鏈以最長的鏈條視為正確的鏈條，如果存在同時出現兩個區塊，會暫時並行記錄兩個區塊，後續再生成的區塊基於其中的某一個區塊，將會形成的最長的鏈條作為一致性的鏈條，另外一個區塊將會被丟棄，比特幣是基於6個區塊的確認，所以被丟棄的區塊將不會獲得比特幣系統的獎勵，也就是白白將競爭記賬權的算力（電費）浪費了。基於工作量的激勵，參與者必然盡最大能力構造正確的區塊，也就是滿足區塊鏈的一致性。即全網的所有用戶可以達成唯一的一致性的公共賬本。

目前比特幣系統全網算力已達到驚人的24.75EH/s，其中1E=1000P，1P=1000T，1T=1000G，1G=1000M，1M=1000K，1K=1000，H/s為每秒一次哈希計算（哈希碰撞），也就是每秒進行24.75E次哈希計算，且仍有持續的算力加入比特幣系統。比特幣記賬權的競爭，提供算力的硬體從CPU，GPU，專業礦機，礦池。目前單機版的專業礦機已無法競爭到記賬權，必須由多台礦機組合為礦池才能競爭到記賬權。

『貳』 區塊鏈常見的三大共識機制

區塊鏈是建立在P2P網路，由節點參與的分布式賬本系統，最大的特點是「去中心化」。也就是說在區塊鏈系統中，用戶與用戶之間、用戶與機構之間、機構與機構之間，無需建立彼此之間的信任，只需依靠區塊鏈協議系統就能實現交易。

可是，要如何保證賬本的准確性，權威性，以及可靠性？區塊鏈網路上的節點為什麼要參與記賬？節點如果造假怎麼辦？如何防止賬本被篡改？如何保證節點間的數據一致性？……這些都是區塊鏈在建立「去中心化」交易時需要解決的問題，由此產生了共識機制。

所謂「共識機制」，就是通過特殊節點的投票，在很短的時間內完成對交易的驗證和確認；當出現意見不一致時，在沒有中心控制的情況下，若干個節點參與決策達成共識，即在互相沒有信任基礎的個體之間如何建立信任關系。

區塊鏈技術正是運用一套基於共識的數學演算法，在機器之間建立「信任」網路，從而通過技術背書而非中心化信用機構來進行全新的信用創造。

不同的區塊鏈種類需要不同的共識演算法來確保區塊鏈上最後的區塊能夠在任何時候都反應出全網的狀態。

目前為止，區塊鏈共識機制主要有以下幾種：POW工作量證明、POS股權證明、DPOS授權股權證明、Paxos、PBFT（實用拜占庭容錯演算法）、dBFT、DAG（有向無環圖）

接下來我們主要說說常見的POW、POS、DPOS共識機制的原理及應用場景

概念：

工作量證明機制（Proof of work ），最早是一個經濟學名詞，指系統為達到某一目標而設置的度量方法。簡單理解就是一份證明，用來確認你做過一定量的工作，通過對工作的結果進行認證來證明完成了相應的工作量。

工作量證明機制具有完全去中心化的優點，在以工作量證明機制為共識的區塊鏈中，節點可以自由進出，並通過計算隨機哈希散列的數值解爭奪記賬權，求得正確的數值解以生成區塊的能力是節點算力的具體表現。

應用：

POW最著名的應用當屬比特幣。在比特幣網路中，在Block的生成過程中，礦工需要解決復雜的密碼數學難題，尋找到一個符合要求的Block Hash由N個前導零構成，零的個數取決於網路的難度值。這期間需要經過大量嘗試計算（工作量），計算時間取決於機器的哈希運算速度。

而尋找合理hash是一個概率事件，當節點擁有佔全網n%的算力時，該節點即有n/100的概率找到Block Hash。在節點成功找到滿足的Hash值之後，會馬上對全網進行廣播打包區塊，網路的節點收到廣播打包區塊，會立刻對其進行驗證。

如果驗證通過，則表明已經有節點成功解迷，自己就不再競爭當前區塊，而是選擇接受這個區塊，記錄到自己的賬本中，然後進行下一個區塊的競爭猜謎。網路中只有最快解謎的區塊，才會添加的賬本中，其他的節點進行復制，以此保證了整個賬本的唯一性。

假如節點有任何的作弊行為，都會導致網路的節點驗證不通過，直接丟棄其打包的區塊，這個區塊就無法記錄到總賬本中，作弊的節點耗費的成本就白費了，因此在巨大的挖礦成本下，也使得礦工自覺自願的遵守比特幣系統的共識協議，也就確保了整個系統的安全。

優缺點

優點：結果能被快速驗證，系統承擔的節點量大，作惡成本高進而保證礦工的自覺遵守性。

缺點：需要消耗大量的演算法，達成共識的周期較長

概念：

權益證明機制（Proof of Stake），要求證明人提供一定數量加密貨幣的所有權。

權益證明機制的運作方式是，當創造一個新區塊時，礦工需要創建一個「幣權」交易，交易會按照預先設定的比例把一些幣發送給礦工本身。權益證明機制根據每個節點擁有代幣的比例和時間，依據演算法等比例地降低節點的挖礦難度，從而加快了尋找隨機數的速度。

應用：

2012年，化名Sunny King的網友推出了Peercoin（點點幣），是權益證明機制在加密電子貨幣中的首次應用。PPC最大創新是其采礦方式混合了POW及POS兩種方式，採用工作量證明機制發行新幣，採用權益證明機制維護網路安全。

為了實現POS，Sunny King借鑒於中本聰的Coinbase，專門設計了一種特殊類型交易，叫Coinstake。

上圖為Coinstake工作原理，其中幣齡指的是貨幣的持有時間段，假如你擁有10個幣，並且持有10天，那你就收集到了100天的幣齡。如果你使用了這10個幣，幣齡被消耗（銷毀）了。

優缺點：

優點：縮短達成共識所需的時間，比工作量證明更加節約能源。

缺點：本質上仍然需要網路中的節點進行挖礦運算，轉賬真實性較難保證

概念：

授權股權證明機制（Delegated Proof of Stake），與董事會投票類似，該機制擁有一個內置的實時股權人投票系統，就像系統隨時都在召開一個永不散場的股東大會，所有股東都在這里投票決定公司決策。

授權股權證明在嘗試解決傳統的PoW機制和PoS機制問題的同時，還能通過實施科技式的民主抵消中心化所帶來的負面效應。基於DPoS機制建立的區塊鏈的去中心化依賴於一定數量的代表，而非全體用戶。在這樣的區塊鏈中，全體節點投票選舉出一定數量的節點代表，由他們來代理全體節點確認區塊、維持系統有序運行。

同時，區塊鏈中的全體節點具有隨時罷免和任命代表的權力。如果必要，全體節點可以通過投票讓現任節點代表失去代表資格，重新選舉新的代表，實現實時的民主。

應用：

比特股（Bitshare）是一類採用DPOS機制的密碼貨幣。通過引入了見證人這個概念，見證人可以生成區塊，每一個持有比特股的人都可以投票選舉見證人。得到總同意票數中的前N個（N通常定義為101）候選者可以當選為見證人，當選見證人的個數（N）需滿足：至少一半的參與投票者相信N已經充分地去中心化。

見證人的候選名單每個維護周期（1天）更新一次。見證人然後隨機排列，每個見證人按序有2秒的許可權時間生成區塊，若見證人在給定的時間片不能生成區塊，區塊生成許可權交給下一個時間片對應的見證人。DPoS的這種設計使得區塊的生成更為快速，也更加節能。

DPOS充分利用了持股人的投票，以公平民主的方式達成共識，他們投票選出的N個見證人，可以視為N個礦池，而這N個礦池彼此的權利是完全相等的。持股人可以隨時通過投票更換這些見證人（礦池），只要他們提供的算力不穩定，計算機宕機，或者試圖利用手中的權力作惡。

優缺點：

優點：縮小參與驗證和記賬節點的數量，從而達到秒級的共識驗證

缺點：中心程度較弱，安全性相比POW較弱，同時節點代理是人為選出的，公平性相比POS較低，同時整個共識機制還是依賴於代幣的增發來維持代理節點的穩定性。

『叄』 區塊鏈中的每個區塊中記錄要經歷哪些驗證環節

會經歷三個驗證環節，分別是:
1. 賬本驗證問題 實際上對於第一個問題，很容易想到解決方法，那就是少數服從多數，如果某個節點的賬本數據被篡改了，那麼只需要和全網其他節點的數據比對，就必然能發現異常。 但問題在於，隨著時間的推移，記錄的累積，數據量會越來越龐大，記得在13年的時候，筆者下載的比特幣錢包，從網路同步下載下來的交易賬本數據就已經多達幾十GB，如果說要對這么大的數據進行逐一傳輸、比對，可以說是不現實的。
2. 賬戶所有權的證明 如果我要通過某個賬戶給另一個賬戶轉賬，必然需要證明我對此賬戶的所有權。對於中心化的貨幣系統，我們只需要向銀行出示密碼即可，但是對於去中心化的系統，如果我們也通過出示密碼給其他節點，來證明我們對賬戶的所有權，那麼我們的密碼也就泄露給了其他節點（即用戶）。
3. 事實上這是一個現代密碼學中比較基礎的問題，說白了就是如何在不暴露自己私鑰的前提下，自證身份，也有很成熟的解決方法：利用非對稱加密演算法。關於演算法的細節，計劃在後面單獨說說現代密碼學的一些基礎演算法，這里我們就用類比的方法描述一下。
4. 記賬問題:去中心化的前提就是，時刻需要有節點在線，否則就沒有人處理記賬、驗證交易等工作，那麼，比特幣有什麼機制，讓人們心甘情願的時刻保持在線呢？ 我們之前說過，比特幣_10分鍾，會將這10分鍾內的交易數據打包記錄成一個區塊，也就是記賬。但是不是所有人都有權利去記賬的，全網的每個節點，都會去計算一個問題，只有第一個解出符合要求的答案的節點，才有記賬權，而作為獎勵，該節點會得到一定數量的比特幣。
5. 隨著比特幣的價格越來越高，越來越多的人參與到這種解題競賽中去，並將這一過程戲稱為「挖礦」，也正是這些「礦工」，維持著整個比特幣網路的運轉。而這也就是比特幣的發行過程：_10分鍾，通過獎勵礦工的形式，產生新的比特幣。

『肆』 北京java課程分享區塊鏈技術中的共識演算法

關於區塊鏈技術的一些講解和知識點分析我們已經給大家分享過很多次了。今天，北京java課程就再來了解一下，區塊鏈技術中的共識演算法的一些基本定義與特點。

簡單過一下區塊鏈

我們一般意識形態中的鏈是鐵鏈，由鐵鑄成，一環扣一環。形象地，區塊鏈的也可以這么理解，只正滑悔不過它不是由鐵鑄成，而是由擁有一定數據結構的塊連接而成，這是一個簡單的雛形

通俗講解共識

所謂共識，通俗來說，就是我們大家對某種事物的理解達成一致的意思。比如說日常的開會討論問題，又比如判斷一個動物是不是貓，我們肉眼看了後覺得像貓，其滿足貓的特徵，那麼我們認為它是貓。共識，是一種規則。

繼續舉正我們的會議例子。參與會議的人，通過開會的方式來達到談論解決問題。

對比區塊鏈中，參與挖礦的礦工通過某種共識方式(演算法)來解決讓自己的賬本跟其他節點的賬本保持一致。讓賬本保持一致的深入一層意思就是，讓鏈中區塊信息保持一致。

為什麼需要共識，不需要可不可以?當然不可以，生活中沒了共識的規則，一切亂套。區塊鏈沒了共識的規則，各個節點各干各的，失去一致的意義。

這兩個例子的對應的關系如下：

會議的人=挖礦的礦工

開會=共識方式(演算法)

談論解決問題=讓自己的賬本跟其他節點的賬本保持一致

如果你對節點的概念意思不懂，請先理解為礦工，一個節點內部包含很多角色，礦工是其中之一。

共識演算法

目前常見的在區塊鏈中，節點們讓自己的賬本跟其他節點的賬本保持一致的共識方式(演算法)有如下幾種：

PoW，代表者是比特幣(BTC)

弊端：

礦池的出現，一定程度上違背了去中心化的初衷，同時也使得51%攻擊成為可能，影響其安全性。

存在巨大的算力浪費，看看礦池消耗大量的電力資源，隨著難度增加，挖出的不夠讓悶付電費

PoS，代表者是以太坊(ETH)，從PoW過度到PoS

弊端：

破壞者對網路的攻擊成本很低，擁有代幣就能競爭

另外擁有代幣數量大的節點獲得記賬權的概率會更大，會使得網路共識受少數富裕賬戶支配，從而失去公正性。

『伍』 區塊鏈為什麼需要共識機制

金窩窩網路科技分析認為：分布式系統中，多個主機通過非同步通信方式組成網路集群。在這樣的一個非同步系統中，需要主機之間進行狀態復制，以保證每個主機達成一致的狀態共識。

分布式系統中，多個主機通過非同步系統中，可能出現無法通信的故障主機，而主機的性能可能下降，網路可能擁塞，這些可能導致錯誤信息在系統內傳播。因此需要在默認不可靠的非同步網路中定義容錯協議，以確保各主機達成安全可靠的狀態共識。

利用區塊鏈構造基於互聯網的去中心化賬本，需要解決的首要問題是如何實現不同賬本節點上的賬本數據的一致性和正確性。

這就需要借鑒已有的在分布式系統中實現狀態共識的演算法，確定網路中選擇記賬節點的機制，以及如何保障賬本數據在全網中形成正確、一致的共識。

『陸』 什麼是區塊鏈區塊鏈的運作模式是什麼

塊鏈在有的時候被稱為分布式賬本技術，就是通過使用去中心化和加密散列，使任何數字資產歷史不可以更改，並且十分的透明，沒有任何的隱蔽性可言。區塊鏈的運行是為了讓人們能夠以安全，防篡改的方式來共享有價值的數據。最為經典的就是麻省理工學院技術評論區塊鏈的三個重要的概念。

要想將公共的信息完全共享給所有的人，這就必須要藉助於區塊鏈保持完整，並在用戶之上建立信任。

『柒』 區塊鏈目前用到哪些共識機制它們各自的優缺點和適用范圍是什麼

目前主要有四大類共識機制：Pow、Pos、DPos、Pool
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，全網其它節點驗證後一起存儲；
優點：完全去中心化，節點自由進出；
缺點：目前bitcoin已經吸引全球大部分的算力，其它再用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；挖礦造成大量的資源浪費；共識達成的周期較長，不適合商業應用

2、Pos權益證明，Pow的一種升級共識機制；根據每個節點所佔代幣的比例和時間；等比例的降低挖礦難度，從而加快找隨機數的速度。
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，基於傳統的分布式一致性技術，加上數據驗證機制；是目前行業鏈大范圍在使用的共識機制
優點：不需要代幣也可以工作，在成熟的分布式一致性演算法（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

在使用共識機制，保證數據一致性時的巨大優勢（共識機制則是Ripple首先提出的，數據正確性優先的網路交易同步機制，在共識網路中，無論軟體代碼怎麼變動，無法取得共識就無法進入網路，更不要提分叉了）。
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PS：稍微自黑下，雖然共識機制絕對能確保任何時候都不會產生硬分叉。但是，這種機制的缺點也比較明顯，那就是要取得與其他節點的共識，明顯要比當前Bitcoin網路漫長的多。極端情況下，在Ripple共識機制網路中掉線的後果也是很恐怖的。

有可能你家停電一天，第二天整個系統就再也無法與其它Rippled節點取得共識了（共識機制事實上需要超過80%的節點承認了你的數據，你的提交才會被其它節點接受，否則就會被排它的拒絕連接），甚至只能清空自己全部500多GB數據重新同步才能連上其它Ripple節點。

所以目前來說，現有的Rippled端並不適合民用（商用的話影響就比較小，比如RL自己的Rippled節點託管在亞馬遜雲數據中心，長時間無響應是可以高額索賠的，而且那種地方除了大型災害幾乎不會斷），這也是RL一直想改進的方面之一。