区块脉动|区块链技术迭代的重要性

区块链产业发展至今，从技术角度看已经开始从原始的1.0时代演变到现在3.0的时代。区块链的技术更新迭代是一个技术产业发展的根本，今天笔者就针对区块链技术的迭代问题进行一下阐述。

现阶段，虽然区块链的行业生态已初步成形，但区块链技术仍面临诸多技术瓶颈，具体表现在体系架构、共识机制、互操作性、系统安全等多个方面。因此，必须对区块链关键技术给予高度重视，并集多方力量突破技术瓶颈，从而为区块链应用的全方面落地扫清障碍。

共识机制

共识机制是区块链系统能够稳定、可靠运行的核心关键技术。不同于传统的中心化系统，区块链系统中所有网络节点是自由参与、自主维护的，不存在一个可信的中心节点承担网络维护、数据存储等任务。因此，如何使众多地理位置分散、信任关系薄弱的区块链节点维持一致性的可信数据副本，并实现系统稳定运行，是区块链共识机制必须解决的难题。

共识机制的主要功能是解决两个基本问题：

（1） 谁有权写入数据。

区块链系统中，每一个骨干网络节点都将各自独立维护一份区块链账本（即区块链系统中的数据库）。为了避免不同的区块链账本出现数据混乱的问题，必须要设计公平的挑选机制，每次只挑选一个网络节点负责写入数据；

（2） 其他人如何同步数据。

当被挑选的网络节点写入数据后，其他网络节点必须能够准确及时的同步这些数据。为了避免网络中出现伪造、篡改新增数据的情况，必须设计可靠的验证机制，使所有网络节点能够快速验证接收到的数据是由被挑选的网络节点写入的数据。

一旦解决这两个问题，区块链分布式网络中的节点就可以自发的建立一致性的可信数据副本。首先，每隔一定时间，经过共识机制挑选的节点将挑选待入库的交易，构造最小的区块链数据存储结构“区块”，然后将区块数据广播到区块链网络。其次，全网所有节点将对接收到的区块数据进行检测，根据共识机制判断区块数据是否是由合法的授权节点发布。如果区块数据满足共识机制和其他格式需求，将会被节点追加在各自维护的区块链账本中，完成一次数据同步。通过重复这两项过程，区块链账本就可以稳定、可靠的实现更新和同步，避免数据混乱、数据伪造等问题。

共识机制是区块链的核心技术，与区块链系统的安全性、可扩展性、性能效率、资源消耗密切相关。迄今为止，研究者已经在共识相关领域做了大量研究工作，提出了众多不同的共识机制。从如何选取记账节点的角度，现有的区块链共识机制可以分为选举类、证明类、随机类、联盟类和混合类共5种类型：

选举类共识是指矿工节点在每一轮共识过程中通过“投票选举”的方式选出当前轮次的记账节点，首先获得半数以上选票的矿工节点将会获得记账权。例如PBFT、Paxos和Raft等。PBFT共识机制效率高，支持秒级出块，而且支持强监管节点参与，具备权限分级能力，在安全性、一致性、可用性方面有较强优势。然而，在PBFT系统，一旦有1/3或以上记账人停止工作，系统将无法提供服务，当有1/3或以上记账人联合作恶，且其他所有的记账人被恰好分割为两个网络孤岛时，恶意记账人可以使系统出现分叉。

证明类共识被称为“Proof of X”类共识，即矿工节点在每一轮共识过程中必须证明自己具有某种特定的能力，证明方式通常是竞争性地完成某项难以解决但易于验证的任务，在竞争中胜出的矿工节点将获得记账权。例如PoW和PoS共识算法等。PoW（工作量证明机制）的核心思想是通过分布式节点的算力竞争来保证数据的一致性和共识的安全性。PoS（权益证明机制）的目的是解决PoW中资源浪费的问题。PoS是由具有最高权益的节点获得新区块的记账权和收益奖励，不需要进行大量的算力竞赛。PoS一定程度上解决了PoW算力浪费的问题，但是PoS共识机制导致拥有权益的参与者可以持币获得利息，容易产生垄断。

随机类共识是指矿工节点根据某种随机方式直接确定每一轮的记账节点，例如Algorand和PoET共识算法等。Algorand共识是为了解决PoW共识协议存在的算力浪费、扩展性弱、易分叉、确认时间长等不足。Algorand共识的优点包括：能耗低，不管系统中有多用户，大约每1500名用户中只有1名会被系统随机挑中执行长达几秒钟的计算；民主化，不会出现类似比特币区块链系统的“矿工”群体；出现分叉的概率低于10-18。

联盟类共识是指矿工节点基于某种特定方式首先选举出一组代表节点，而后由代表节点以轮流或者选举的方式依次取得记账权。这是一种以“代议制”为特点的共识算法，例如DPoS等。DPoS不仅能够很好地解决PoW浪费能源和联合挖矿对系统的去中心化构成威胁的问题，也能够弥补PoS中拥有记账权益的参与者未必希望参与记账的缺点。

混合类共识是指矿工节点采取多种共识算法的混合体来选择记账节点，例如PoW+PoS混合共识、DPoS+BFT共识等。通过结合多种共识算法，能够取长补短，解决单一共识机制存在的能源消耗与安全风险问题。

当前现有的共识机制很难做到性能和扩展性的平衡。比特币、以太坊等公有链使用的共识机制（如PoW，PoS等）虽然支持大规模节点网络，但共识性能较低，如比特币的TPS（每秒处理的交易数）大约只有7。而以Fabric为首的联盟链共识机制（如PBFT等）虽然有较高的TPS，如PBFT的TPS能达到1000，但这些共识算法的扩展性较差，只支持小规模的网络，当节点数量过多时共识机制就会崩溃，且很多联盟链共识算法的共识节点是预置的，不支持节点的动态加入与退出。目前区块链系统的共识效率仍是区块链技术的瓶颈之一，在一定程度上限制着区块链技术的发展和相关应用的落地。未来区块链共识算法的研究方向将主要侧重于共识机制的性能提升、扩展性提升、安全性提升和新型区块链架构下的共识创新。

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编译者/作者：区块脉动

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