从“比特币挖矿”看区块链技术的共识机制

文字 | 梁斌 江苏银行信息科技部

2009年1月3日，一位名叫中本聪的神秘黑客首次提出“比特币”的概念。 截至2015年底，已开采的比特币数量达到约1500万枚。 与大多数货币不同，比特币不依赖于特定的货币机构来发行。 它是根据特定算法通过大量计算生成的。 人们将“利用计算机硬件资源计算出比特币的位置（即SHA256哈希值）并获得比特币的过程”称为“比特币挖矿”。

比特币本质上是一种由分布式网络系统产生的数字货币。 它的发行过程不依赖于特定的中心化组织，而是依靠分布式网络节点共同参与一个称为“工作量证明（PoW）”的共识过程来完成交易的验证和记录。

PoW共识过程（俗称“挖矿”，每个节点称为矿工）通常是每个节点贡献自己的计算资源，竞相解决一个难度可动态调整的数学问题，成功解决的矿工数学问题将得到解决。 同时，将当前时间段内的所有比特币交易打包成一个新的区块，并按时间顺序链接到比特币主链上。

区块链（Blockchain）是比特币的底层技术。 它类似于数据库分类帐。 分布在不同区域的节点参与决策并记录所有交易记录。 决策规则的核心是共识机制。

共识机制是决定由哪个参与节点记账、保证交易完成的技术手段和机制。 共识机制需要平衡效率和安全的关系，即安全措施越复杂，处理速度越慢。 为了提高处理速度，必须简化安全措施的复杂性。

从目前来看，区块链技术的共识机制主要有：Pow（工作量证明机制）、PoS（权益证明机制）、DPoS（授权权益证明机制）、Pool（验证池机制）等（如图所示）在图 1 中）。

1. Proof of Work (PoW) 工作量证明机制，顾名思义，获得的货币数量取决于挖矿工作的有效性。 用户使用的计算机性能越好，他们从挖矿中获得的货币就越多，这是根据工作量分配货币。

比特币挖矿是通过AND或运算计算出一个符合规则的随机数，即获得本次记账权，同时将本轮需要记录的数据发出，并存储起来经全网其他节点验证后一起。 系统采用工作量证明机制进行资产分配，鼓励用户挖矿，保证网络稳定。 目前的虚拟货币，如比特币、莱特币等，大部分都是基于PoW模型（算力越强，挖矿时间越长，获得的货币越多）。

PoW 的优点是完全去中心化，节点可以自由进出。 存在的问题是：一是比特币吸引了全球大部分算力，采用PoW共识机制的区块链应用很难获得同等算力来保证自身安全； 二是采矿造成大量资源浪费； 三是达成共识的周期较长。 PoW虽然不适合商业应用，但在太阳能研究、宇宙智能探索，甚至数学等领域都有很大的应用潜力。

2. Proof of Stake (PoS) 简而言之，PoS是一种根据用户持有货币的数量和时间来分配利息的系统。 在PoS模式中，有一个概念叫做“币龄”，即每个币每天产生1个币龄。 如果一个用户持有100个币共计30天，则他拥有的币龄为3000。此时，如果用户发现一个PoS区块，其币龄将被清空。 用户每清空365个币龄，就会从区块中获得0.05个币种的利息（可以理解为5%的年利率）。 随后，系统会根据交易输入和其他一些固定数据，以及当前时间，进行SHA256哈希运算，得到一个哈希值。 这种哈希运算类似于比特币的工作量证明，难度与交易输入的“币龄”成反比。 由于“币龄”被清零，每发现一个新区块，矿工的算力也归零。

与PoW相比，PoS是一种升级的共识机制，降低了挖矿难度，加快了根据每个节点代币数量与时间的比例寻找随机数。 在实际应用中，PoS的优势在于在一定程度上缩短了达成共识的时间2009年的比特币挖矿，在更短的时间内达成共识，更加安全，这对大数据在金融领域的应用具有重要意义行业。 区块链技术前沿应用的基础。 它的缺点是仍然需要挖矿，本质上没有解决商业应用的痛点。

3. Delegated Proof of Share (DPoS) DPoS是一种新的算法来保证加密货币网络的安全。 在试图解决比特币采用的传统工作量证明机制和点点币、NXT 采用的权益证明机制存在的问题的同时，还可以通过实施技术民主来抵消中心化的负面影响。 其工作原理类似于董事会投票2009年的比特币挖矿，给持币者一把可以解锁其股份对应的投票权的钥匙，而不是给他们一把可以挖矿的铲子。

DPoS的优势在于大大减少了参与验证和记账节点的数量，从而实现秒级共识验证。 减少确认的需要将使交易速度飞速增长，并且签署区块的任务将委托给网络选择的受信任的人。 在这样的设计中，不再有人为障碍来减慢区块签名过程。 与传统的 P0W 和 PoS 系统相比，DPoS 可以在单个区块中容纳更多的交易，将加密货币技术提升到一个新的水平，使其可以与中心化结算系统相媲美。

4.矿池验证矿池 Pool中文意思是联营和合伙运营。 它是一种传统的分布式一致性技术加上数据验证机制。 是行业区块链广泛使用的共识机制。 它的优点是它可以在没有令牌的情况下工作。 在成熟的分布式共识算法（Pasox、Raft）的基础上，实现秒级共识验证，大大提高了验证速度。 在保证速度的前提下，安全性也更高，是适合多方参与的多中心商业模式。

本文通过“比特币挖矿”来了解区块链的共识机制。 共识机制始终需要在效率和安全性之间取得最佳平衡。 比特币应用采用完全去中心化的共识机制，而在联盟链和私有链中，我们也看到去中心化并不是那么完善的共识机制。 相信基于区块链技术的演进和发展，会有更多的技术和机制进入我们的视野和应用场景。 区块链在比特币中的应用，为我们打开了一扇通往未来数字货币的大门，而从数字货币到数字金融，最后到数字社会，还有很长的路要走，共识机制需要不断完善和完善创新。