常见10种区块链共识算法

共识是指多个参与者就某个特定的事务或状态达成一致的过程，而在区块链当中简单理解就是在众多节点当中选出一个节点来记账。而共识算法要解决的问题就是：如何选出这个节点？一般的共识算法是依靠节点提供“某种能力”的证明来确定，例如POW算法，是节点通过证明自己的“算力能力”并计算出一个指定要求的哈希值来获得记账的权利，下面就来介绍常见的几种共识算法。

常见的10种共识算法

POW

原理

POW（Proof Of Work）工作量证明共识算法因为BTC的采用，成为大家最为熟知的共识算法。其实现原理也比较简单，节点之间会约定一个hash难度值（例如需要计算出的hash小于某个指定的值），矿工通过修改待hash数据中的随机数（也可以修改交易数据）来不断尝试达到这个hash难度，如果计算出符合该难度的hash，立即进行广播，以获得该区块的记账权，并获得出块奖励。该hash计算出来需要消耗大量的算力，但是校验时却并需要。这里计算出对应hash结果就是矿工的“工作量”证明了。

优点

从区块链诞生以来就一直在被采用，安全性经过了时间的检验。

缺点

大量的算力使用导致能源的消耗，这也是POW最被人诟病的缺点。

POB

原理

POB（Proof of Burn）燃烧证明其核心理念是通过“燃烧”或永久销毁一部分加密货币来获取网络的记账权。这种方法是为了模拟挖矿活动，而不需要实际的能源消耗。用户通过将某些加密货币发送到一个不可用的地址，从而永久移除这些币的流通。这个过程被称为“燃烧”，而燃烧的币则被视作一种牺牲，以获取记账权：在POB模型中，燃烧更多货币的节点更有可能获得新增区块的记账权。这是因为他们通过燃烧币表明了对网络长期承诺的意愿和信任。

优点

与Proof of Work（工作量证明）机制相比，POB不需要大量的电力和物理硬件，因此对环境的影响较小。

缺点

它要求用户必须牺牲自己的资产，这对许多人来说是一个较大的心理障碍。

dPOW（延时工作量证明）

原理

dPoW（Delayed Proof-of-Work）延迟工作量证明最早是Komodo提出的，核心思想是通过自己的链定时向依赖的链锚定数据，通过“依赖链”的安全性来增强自己的安全性，Komodo依赖的链就是btc链。出块的过程依然是通过pow的方式，选取记账节点。但除了正常节点之外，还有64个通过社区选择的公证人节点，它们会定时将链上数据的hash“锚定”到依赖链，这样如果攻击者想攻击这条链，那么就需要连依赖链也攻击掉，这几乎是不可能的。

优点

可以通过锚定一个经过市场考验的区块链来保证自有链的安全，进一步增加自有链的安全性。

缺点

就因为需要依赖其他链，所以想着“超越”的区块链基本都不会采用该算法。

PoS

原理

POS（Proof-of-Stake）权益证明的核心是：节点通过质押代币的方式获得记账权，具体的打包节点是根据“权重”随机出的。但其具体实现会有一些细节上的不同，例如有的pos算法在选择节点计算“权重”时会考虑币龄。其他的一些方面，例如在计算区块奖励时，有的只是奖励该区块内的手续费给打包节点，有的则会加一些coinbase的奖励

优点

相较于BTC的pow算法，POS减少大量能源消耗，更加节能环保，同时速度更快。

缺点

可能会出现富者愈富的情况，导致更加的中心化趋势。不过也有一些方式避免该种情况的发生，例如：甲醛随机选择、设定奖励上限等。

DPoS

原理

DPoS（Delegated Proof of Stake，DPoS）委托权益证明是PoS的一个变种，持币者将不直接参与竞争出块的权利，而是所有的币持有者可以将他们的币用来投票，选出一定数量的代表（也被称为见证人或者是区块生产者）。这些被选中的代表负责验证和创建新的区块，而在这些区块中则是通过PoS的方式最终选出出块节点。如果任何选出的代表不能正确执行他们的职责，他们可以被其他币持有者投票下台。类似于代表大会制度，选出一部分人来参与这个会议。

优点

因为只有少部分节点参与最终的出块，那么它的速度会更快。

缺点

更少的出块节点意味着更加的中心化，这正好体现了区块链的三难困境：可扩展性、安全性和去中心化无法同时达成。

PoH

原理

PoH（Proof of History）历史证明共识算法简单理解：就是将交易的序列，通过连续的hash处理“串”起来，行成一个不可逆转的hash序列，同时该hash序列可视为代表交易的“时间戳”。PoH需要配合其他共识算法共同使用，常见的使用方式是通过dPoS选举出Leader然后使用PoH算法进行交易的处理，之后广播。

优点

使用PoH避免分布式系统中的时间戳问题，使交易速度更快。

缺点

老生常谈，速度越快中心化的程度越被人诟病。

PoA

原理

POA（Proof of Authority）权威证明共识算法，会预先选择出一部分节点作为“权威节点”，这些节点通常是特定的、可信的实体，类似于dPoS算法中选出来的代表节点，不过PoA更重视节点的“信誉”与“权威”。权威节点轮流或根据预定的规则生成新的区块。每个生成的区块都需要得到其他权威节点的验证和确认。

优点

由于权威节点是已知且可信的，交易和区块的确认过程通常非常快速，这使得POA适合需要高交易吞吐量的应用场景，也比较适合于私有链和联盟链。

缺点

同样的问题，少量的权威节点必定增加中心化的风险，同时对于权威节点的身份及可信度的监督也是一个复杂的工作。

PBFT

原理

PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）是一种实用的拜占庭容错共识算法，由Miguel Castro和Barbara Liskov在1999年提出。PBFT算法旨在解决分布式系统中的拜占庭将军问题，即在一个可能存在恶意节点的分布式网络中，如何使所有诚实节点达成一致的决策。PBFT 能够容忍最多 (n-1)/3 个拜占庭（恶意或故障）节点，其中 n 是系统的总节点数。这意味着在一个有 n 个节点的系统中，最多可以有 (n-1)/3 个节点是恶意的或故障的，系统仍然能够正常运行。

PBFT 算法的基本流程可以分为以下几个阶段：

预准备阶段（Pre-Prepare Phase）：

- 主节点（Primary）将客户端的请求广播给所有副本节点（Replicas），并附带一个序列号和视图编号（View Number）。

准备阶段（Prepare Phase）：

- 每个副本节点在收到主节点的预准备消息后，会向其他所有副本节点广播一个准备消息，包含预准备消息的内容和自己的签名。
- 当一个副本节点收到至少 2f+1 个（其中 f 是最大可容忍的拜占庭节点数）来自不同节点的准备消息时，它就会进入准备状态。

提交阶段（Commit Phase）：

- 进入准备状态的副本节点会向其他所有副本节点广播一个提交消息，包含预准备消息的内容和自己的签名。
- 当一个副本节点收到至少 2f+1 个来自不同节点的提交消息时，它就会进入提交状态。

回复阶段（Reply Phase）：

- 进入提交状态的副本节点会向客户端发送一个回复消息，确认请求的执行结果。

图片来源

主节点可以通过轮询或者随机的方式选出。

优点

PBFT 在正常情况下可以达到接近线性的性能，因为它只需要两轮通信就可以达成共识。PBFT 的决策是确定性的（即不会分叉），即所有诚实节点最终会达成相同的决策。

缺点

因为网络交互的复杂性（可以看到每轮交互需要所有节点之间都进行通信），导致PBFT能够支持的节点数量有限，适用于联盟链和私有链。

dPBFT

原理

类似于dPoS会从众多节点中选出一部分节点作为委员会，dPBFT的实现也是类似的，既然全节点都去做PBFT会导致效率下降（节点越多，通信复杂度越高，速度越慢），那就只选出一部分节点来做PBFT，这样即可利用PBFT的速度，同时也可以避免因节点过多导致效率变慢的问题。委员会的选举可以通过投票来选出，而一般情况下投票权的多少取决于持有多少币。