导读：美国东部时间2月14日，也就是情人节，美国众议院举行了第二次区块链听证会，主题是“超越比特币：区块链技术的新兴应用”。有人认为，这意味着区块链技术大规模应用的“美国共识”正在形成，包括拥抱技术，而不是封锁技术，区块链必须开放。这是一种超越区块链技术层面的“共识机制”。今天我们先从区块链技术层面的共识算法说起，它可谓是区块链的灵魂。

区块链系统首先是一个分布式系统，分布式领域最基本的问题是一致性。

所谓一致性，是指对于分布式系统中的多个节点，给定一系列操作，它们在约定协议的保证下，对处理结果达成一致。在分布式环境中，要求多点数据是一致的，即数据应该是完整的、同步的。通常情况下，数据库中的“脏数据”是数据一致性不足的一种表现，而分布式系统中经常出现的不一致性就是读写数据时的不一致性。比如一个节点写入后，并没有用数据冗余更新另一个节点的数据，那么在读取另一个节点时就会出现数据不一致的情况。有限状态机(FSM)是有限状态和行为(如这些状态之间的转换和动作)的数学模型。它的特点是状态总数有限，任何时候都只处于一种状态。在一定条件下，它会从一种状态变成另一种状态。从有限状态机的角度来看，一致性是指所有节点组成同一个有限状态机，给定相同的初始状态和输入序列，保证处理过程中各个环节的结果相同。

如果分布式系统能够实现一致性，就能呈现出一个完美的、可扩展的“虚拟节点”，这也是分布式系统希望达到的终极目标。区块链系统由大量分散的节点组成。对于添加到区块链的新内容，大多数节点必须达成一致才能成功写入。这种共识机制确保了网络安全，并使篡改内容变得非常困难。

一致性和共识是结果和手段的关系

人们经常混淆一致性和共识。事实上，一致性描述的是结果的状态，而共识是一种手段。一致性通常是指分布式系统中由多个副本呈现的数据状态，而一致性描述了分布式系统中多个节点之间的状态达到一致结果的过程。经常需要一致性算法来保证系统满足不同程度的一致性。共识算法解决的是对提案达成一致的过程，其中提案可以引用任何可以达成一致的信息。

FLP不可能性原理是一致性算法的理论边界

1985年，Fischer、Lynch和Patterson提出了FLP不可能性原理，这是分布式领域中的不确定性原理，是指在最小化网络可靠性但允许节点失效的异步模型中，没有确定性的一致性算法可以解决一致性问题。这里异步与同步相反，是指系统中节点之间可能存在较大的时钟差异，每个节点的消息传输时间和消息处理时间可能任意长，因此无法判断一个消息的延迟响应出了什么问题。

利用CAP的不可能三位一体，一方面通过妥协来保证；另一方面，

2000年7月

加州大学伯克利分校的Eric Brewer提出了CAP猜想。两年后，麻省理工学院的Seth Gilbert和Nancy Lynch从理论上证明了CAP，随后它正式成为分布式计算领域公认的定理。分布式计算系统不可能同时保证以下三个特性：C(一致性)、A(可用性)和P(分区容错)。在区块链系统中，一致性算法首先用于保证整个系统的容错性。

拜占庭一般问题是允许少数节点作恶的问题。

1982年，Leslie Lamport等人提出了一个虚构的模型——拜占庭一般问题来解释一致性问题，这是一个在一个不可靠的系统中建立一个可靠系统的问题 古代东罗马帝国的首都拜占庭，想进攻一个强大的敌国，于是派了10支军队包围。敌人的军力足以抵挡五支拜占庭军队的同时进攻。因此，任何军队都没有单独进攻的机会，除非至少有六支军队同时进攻以攻占敌国。由于疆域辽阔，守卫边境的将领需要通过信使传递消息，就进攻意图和进攻时间达成共识。但不是所有的将军都是忠诚的，也可能有叛徒，他们可能擅自改变攻击意图或攻击时间，故意干扰共识。在这种情况下，如何保证忠诚的将领能够做到行动一致，打胜仗？这是拜占庭将军问题。从1982年到1999年，没有人能真正创造出一个能解决拜占庭将军问题的体系。

共识算法分为CFT和BFT，BFT分为确定性算法和概率性算法。

在传统数据库和分布式系统领域，已经有很多关于数据一致性的研究，但是在区块链出现之前，很少有系统有上万个节点要同步。同时，在传统的分布式网络中，每个节点都不会因为贪婪而故意伪造信息。在许多情况下，这是由于这样的事实：因此，根据要解决的问题是常见错误还是拜占庭一般问题，一致性算法可以分为CFT(崩溃容错)和BFT(拜占庭容错)。CFT有一些经典的解决方案，包括Paxos、Raft及其变体。Paxos算法是蓑衣网小编2022由Leslie Lamport在1990年提出的，在Google的Chubby Lock中得到了广泛的应用，而Chubby Lock后来也用于Google的核心设计Bigtable中。BFT是区块链系统中常见的一致性算法，分为以PBFT(实用拜占庭容错)为代表的确定性系列算法和以PoW为代表的概率性算法。对于确定性算法来说，一旦对某个结果达成共识，就是不可逆的，即共识就是最终结果；对于概率算法来说，共识结果是暂时的，随着时间的推移或者某种强化，共识结果被推翻的概率越来越小，成为事实上的最终结果。

确定性算法PBFT降低了算法复杂度，适用于联盟链

1999年，Castro和Liskov在他们的论文中提出了PBFT算法，解决了以往拜占庭问题复杂度高的缺点，将算法复杂度从指数级降低到多项式级。在PBFT算法中，如果2/3以上的节点正常，整个系统就可以正常工作。有三个特点。第一，约定每个节点由业务参与者或主管组成，安全性和稳定性由业务涉众保证。第二，共识的延迟基本满足商业实时处理的要求。第三，共识效率高，可以满足高频交易量的需求。非常适合联盟链的应用场景。但其前提仍然是依靠法定多数，一个节点一票，少数服从多数，这在开放生态的公链中存在很大问题。

概率算法PoW通过引入激励机制和随机性，为解决问题提供了新的途径。

对PoW最简单的理解就是按劳分配，多劳多得。协议如下：首先向所有节点广播新的事务，每个节点把接收到的事务放到一个块中。在每一轮中，获胜的节点通过解决数学问题找到随机数来确定，并且它广播它持有的块。其他节点在验证该块中的所有事务都正确之后接受该块，并且其他节点。节点总是将最长的链作为合法链，并试图延长它。

可以说，区块链系蓑衣网小编2022统是技术与人性的结合，引入了激励机制，使节点保持一致。 为了更容易理解，可以参考大家熟悉的市场经济，这是一种典型的分权制。每个参与市场经济的主体在遵守商业规则的基础上，按照自身利益最大化的原则行事，同时客观上促进了整个市场的繁荣，这就是凯恩斯所说的“看不见的手”；而PoW则构建了一个以竞争-核算-奖励为核心的正向循环经济体系，解决了分散核算的问题。每个节点只需要根据自己的利益行事，出于自私(奖励)的目的争夺记账权，最终形成巨大的计算能力，保护系统的安全。在拜占庭问题中，下一步行动计划的决定不能像集权制那样由权威做出，于是引入了随机性，即谁的计算能力强，谁就可以做出决定(记账)。此外，拜占庭问题很难解决，因为系统中随时可能有多个提案，因为提案的成本很低；而且很难确认最终的一致性，很容易被干扰。PoW算法做了两个改进：一个是增加提案的代价，在一段时间内限制网络中的提案数量；二是放宽对最终一致性确认的需求，同意大家沿着已知最长的链条进行确认和扩展。系统的最终确认是概率性的。PoW应该是公链的最优算法。

进一步说，如果要改变一种体制，上策是寻求形成共识，构建利益共同体

共识机制，实现区块链更灵活的合作方式。最近流行的代币经济学的核心是结成利益共同体，合作共赢。可以解决市场上的交易成本问题。其设计的核心思想是将分散的交易成本集中在原系统中，通过技术手段将利益分配给系统中的每个参与者，使系统的整体摩擦下降，代币的内在价值上升。通过设计合理的令牌机制，可以调动参与者的积极性，从而形成一个良好的生态组织。无论服务于哪个领域，我们最终都会共同构建一个区块链生活(就像阿西莫夫笔下的盖亚)，本质上是共同进化，构建更强大的利益共同体。再往前，对于人类社会这个更大的组织系统来说也是如此。有句话叫“团结就是力量”。真正的团结应该是在一定共识的基础上，一个系统中的每个人对自己的小目标和系统的大目标达成了一致。例如，中国共产党在抗日战争期间通过形成反对日本侵略者的共识，团结了所有力量；Xi总书记提出的共同建设人类命运共同体也是更高层次的共识，最符合全世界人类的愿望和根本利益。

来源：微信官方账号(智之河)[x]