从《比特币挖矿》看区块链技术的共识机制

2009 年 1 月 3 日比特币同时挖到一个区块，一位名叫中本聪的神秘黑客首次提出了“比特币”的概念。到 2015 年底，已经开采了大约 1500 万比特币。与大多数货币不同，比特币不是由特定的货币机构发行的。它是根据特定算法通过大量计算生成的。人们利用计算机硬件资源计算比特币的位置（即SHA256哈希值），获取比特币的过程。“它被称为“比特币挖矿”。

比特币本质上是一种分布式网络系统生成的数字货币。它的发行过程不依赖于特定的中心化组织，而是依赖于分布式网络节点共同参与一个称为“工作量证明（PoW）”的过程。)”共识过程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，竞争解决一个难度可以动态调整的数学问题的过程。成功解决数学问题的矿工将获得该区块的记账权，并将当前时间段内的所有比特币交易打包记录在一个新的区块中，并按时间顺序链接到比特币主链。

区块链是比特币的底层技术，类似于数据库账本。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并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。为了提高处理速度比特币同时挖到一个区块，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（如图在图 1 中）。

1.工作量证明（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。越多，即按工作量分配货币。

比特币挖矿就是通过AND-OR运算计算出一个满足规则的随机数，即获得本次的预定权，同时发出本轮要记录的数据，并存储经全网其他节点验证后合并。系统采用工作量证明机制分配资产，鼓励用户挖矿，保证网络稳定。目前大部分的虚拟货币，比如比特币、莱特币等，都是基于PoW模型的（算力越强，挖矿时间越长，获得的货币就越多）。

PoW 的优点是完全去中心化，节点自由进出。有问题。首先，比特币吸引了世界上大部分的计算能力。使用 PoW 共识机制的区块链应用很难获得相同的算力来保证自身的安全。其次，采矿造成大量资源浪费。; 第三，达成共识的时间更长。虽然 PoW 不适合商业应用，但它在太阳能研究、宇宙智能探索甚至数学方面具有巨大的应用潜力。

2.权益证明（PoS） 简而言之，PoS 是一个根据用户持有的货币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”，即每枚币每天产生 1 个币龄。如果一个用户总共持有 100 个币 30 天，那么他们拥有的币龄是 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币龄，用户将获得该区块0.05币利息（可以理解为每年5 ％ 利率）。然后，系统会进行一次 SHA256 哈希运算，根据交易输入和其他一些固定数据，以及当前时间来获取哈希值。这种哈希运算类似于比特币的工作量证明，难度与“币龄”成正比 的交易输入。由于“币龄”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，根据每个节点的代币数量和时间的比例降低挖矿难度，加快随机数的搜索速度。在实际应用中，PoS的优势在于一定程度上缩短了达成共识的时间，在更短的时间内达成共识，安全性更有保障，这对大数据在互联网领域的应用具有重要意义。金融业。区块链技术前沿应用的基础。缺点是仍然需要挖矿，本质上并不能解决商业应用的痛点。

3.委托权益证明 (DPoS) DPoS 是一种确保加密货币网络安全的新算法。在试图解决比特币采用的传统工作量证明机制以及Peercoin和NXT采用的权益证明机制的问题的同时，还可以通过实施技术民主来抵消中心化的负面影响。它就像董事会投票一样，给持有人一把钥匙，解锁与其股份相对应的投票权，而不是给他们一把铁锹来挖矿。

DPoS 的优势在于大大减少了参与验证和记账的节点数量，从而实现秒级共识验证。减少确认需求将提高交易速度，签署区块的任务将委托给网络选出的受信任的人。在这样的设计中，不再需要人为的障碍来减缓区块签名过程。与传统的 P0W 和 PoS 系统相比，DPoS 能够在单个区块内容纳更多的交易，将加密货币技术提升到一个新的水平，使其可与中心化结算系统相媲美。

4.Pool Verification Pool Pool 中文意思是合资、合伙。它是一种基于传统分布式一致性技术和数据验证机制的共识机制，目前广泛应用于行业区块链。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，实现了秒级共识验证，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”学习区块链的共识机制。共识机制总是需要在效率和安全性之间取得最佳平衡。比特币应用采用了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一个完整的共识机制。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，为我们打开了通往未来数字货币的大门，从数字货币到数字金融，终将走向数字社会。还有很长的路要走，