挖掘未来价值点：两种最火的共识机制 | 加密经济学第 1 节

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价值来自共识比特币采用共识机制，共识机制决定了一个项目是否足够强大。 比特币和以太坊都想改变共识机制，那么理想的共识机制是怎样的呢？ 了解最新的共识机制，洞悉区块链的未来，本文可能不易理解，有些人可能连第一段都看不懂，但请知悉：学习总是逆水行舟！

本文是密码经济学系列介绍文章中的第一篇，重点介绍两种最流行的共识机制。

从根本上说比特币采用共识机制，密码经济学是利用激励机制和密码学来设计新的系统、应用程序和网络，区块链运行在其之上。 它是这门实用科学的产物之一。 了解加密经济学的机制对区块链的研究大有裨益。

我们与密码经济学领域的专家龚男爵共同创建了一个专栏，专注于对密码经济学、隐私密码学、扩展密码学进行持续的科学解读。 爱学习的朋友不要错过。

Baron Gong：ICM Outstanding Winner，区块链技术和密码经济学专家。

前言：为了让分布在世界各地的网络节点达成共识，共识算法在其中起着至关重要的作用，从共识机制的定义可以看出——“一组节点之间就一个结果达成一致的过程” participants”，允许多个参与者达到相同结果的过程。 Casper协议作为以太坊的POS机制，已被纳入以太坊2018年初发布的测试网。

广受诟病的POW（挖矿成本高）的能耗问题和POS的“无风险”问题，促使区块链行业的众多先行者不断研究和创造新的共识机制。 目前最流行的两种共识机制Tendermint和Casper就是解决这些问题的产物。 那么 Tendermint 和 Casper 到底是什么？ 他们的优缺点是什么？ 新的区块链项目应该如何选择适合自己的共识机制？ 在这篇文章中，我们一起来看看这些问题。

什么是 Tendermint？

Tendermint属于拜占庭容错算法，针对PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance Algorithm）进行了优化，只需两轮投票即可达成共识。 最早真正提出将 BFT 研究应用于 POS 公链环境的是 Jae Kwon，他在 2014 年创建了 Tendermint。首先简单介绍一下 Tendermint 算法的流程。 Tendermint的状态转换如下（来自Tendermint wiki）：

简单来说，Tendermint中每一轮对于高度为h的区块的共识包括3个步骤：Propose（提议）、Prevote（预投票）和Precommit（预提交）。 当某轮达成共识时（获得超过2/3的Precommit票数），将进入下一个高度的共识，从第0轮开始。 Tendermint中有一个很重要的概念：PoLC，全称Proof of Lock Change，意思是在一定的高度和轮数（height, round）下，某个块或nil（空块）超过2/3总结点的 The Prevote voting set，简单的说，PoLC就是Prevote投票集。 Tendermint 的参与者被称为“验证者”。 他们轮流提议交易区块并对这些区块进行投票。 块将被提交到链上，每个块占据一个高度 h。 当然，提交块也有可能会失败，如果失败了，就会开始下一轮提交。

一个区块要成功提交，有两个投票阶段：预投票和预提交。

在同一轮提交中，只有超过 2/3 的验证者预先提交了同一个区块，该区块才能提交到链上。 假设不到 1/3 的验证者是拜占庭式的，Tendermint 保证安全性永远不会被破坏。 也就是说，验证者（超过2/3）永远不会提交相同高度的冲突区块。 因此，基于 Temdermint 的区块链永远不会分叉。

什么是卡斯帕？

Casper 是 POS 共识机制的优化版本，用于以太坊从 POW 到 POS 的过渡。 以太坊核心贡献者Vitalik拟通过Casper对以太坊进行硬分叉，从而实现共识机制的变革。 Casper 有两个版本，CFFG 和 CTFG，笔者将在以后的文章中对两者进行详细的分解。

一般来说，Casper 要求验证者将大部分押金押在共识结果上。 共识结果是通过验证者的投注情况形成的：验证者必须猜测其他人将投注在哪个区块上获胜，并且也投注在这个区块上。 如果赌对了，他们会拿回押金和交易费，也许还有一些新铸造的货币； 如果赌注没有很快达成一致，他们只会拿回部分押金。 因此，经过几轮之后，验证者的投注分布将会收敛。

另外，如果一个验证者改变他的赌注过于明显，比如先押注一个获胜概率高的区块，然后将另一个区块更改为另一个获胜概率高的区块，他将受到严厉的惩罚。 这条规则确保验证者只有在非常确定其他人也相信一个区块有很高的获胜概率时才会以高概率下注。

Casper 使用这种机制来确保只要有足够多的验证者，投注就不会收敛到一个结果然后又收敛到另一个结果。 验证者在每个高度 h 的每个候选块上独立下注，并为每个块分配一个获胜概率并发布。 通过反复下注，对于每一个高度h，验证者都会选出一个唯一的获胜区块，这个过程也决定了交易执行的顺序。 如果验证者在某个高度发布概率分布总和大于 100%，或者发布概率小于 0%，或者将大于 0% 的概率分配给无效区块，Casper 将没收他的保证金。

Tendermint 与 Casper

总而言之，Tendermint 是一种基于轮次的投票机制，而 Casper 是一种基于赌博的投注机制。

首先，Tendermint 和 Casper 都可以有效解决“no stake”问题。 Vitalik 在 2014 年 1 月引入的“Slasher”概念可以通过协议内的惩罚来缓解这个问题。 后来，JaeKwon 通过 Tendermint 的第一次迭代也解决了这个问题。

为解决远程攻击问题，Casper和Tendermint采用简单的锁定机制（在Tendermint中俗称“冻结”，在Casper中俗称保证金）锁定一段时间（数周甚至数月）以防止任何恶意联合验证者违反安全。 在 CFFG 算法中，分叉选择规则只能永远修改最终区块之后的区块，以防止远程攻击。 通过使用时间戳，CFFG 中试图修改比最终区块更早的区块的远程分叉将被协议简单地忽略。

另一个问题是卡特尔形成。 卡特尔形式指的是任何经济框架中的寡头垄断问题。 当然，数字货币经济体系也不例外存在这样的问题。

Tendermint 没有任何协议内的手段，而是依靠协议外的管理手段来对抗寡头垄断的验证者。 广而告之，然后退位或投票重组被攻击的区块链。

但是在Casper系统中，CTFG协议明确使用内部审计激励机制来对抗卡特尔形式，这是目前共识机制中唯一在协议中有自己的反卡特尔形式的模式。

CAP理论下的Tendermint vs. Casper

CAP定理的意思是，在分布式系统中，Consistency（一致性）、Availability（可用性）、Partition tolerance（分区容忍度）不能结合在一起。

● 一致性（C）：分布式系统中的所有数据备份是否同时具有相同的值。 （相当于所有节点访问同一个最新的数据副本）

● 可用性（A）：集群中部分节点发生故障后，集群整体是否还能响应客户端的读写请求。 （数据更新的高可用性）

● 分区容错（P）：分区在实际效果上相当于通信的时限要求。 如果系统不能在时限内实现数据一致性，则意味着发生了分区，当前操作必须在C和A之间做出选择。

CAP理论是指在一个分布式存储系统中，最多只能实现以上两点。 由于现在的网络硬件肯定会出现延迟、丢包等问题，分区容错P是我们必须要做到的。 所以我们只能在一致性和可用性之间做一个权衡。

Tendermint协议大部分是异步的（前面部分也是弱同步的），只有当验证者收到超过2/3的消息时，验证者才会处理。 正因为如此，Tendermint 要求大多数验证者在 100% 的时间内运行。 如果 1/3 或更多的验证者离线或离线，网络将停止运行。 从 CAP 理论来看，Tendermint 的设计决策确实将一致性 C 和分区容错性 P 置于实用性 A 之上。现实世界中有相当大的概率会实际停止运行，参与者需要在之后重新启动系统在协议之外组织的某种软件更新。

Casper强调链上同步，所以Casper的设计选择了实用性A和分区容错性P而不是一致性C。Casper相对于Tendermint的核心优势在于网络可以随时容纳更多的验证者。 由于 Tendermint 中的区块在创建时需要最终确定，因此区块的确认时间应该很短才可行。 但是为了实现较短的出块时间，Tendermint PoS 可以容纳的验证者数量是有限制的。 由于 CTFG 和 CFFG 在出块时不需要安全性，因此可以容纳的验证者数量会多一点。 例如，Tendermint 只能容纳大约 100 个验证者，而 Casper 则没有这个限制。

一般来说，Tendermint 假设区块链的参与者大部分时间不会作恶，所以相应的验证者惩罚机制比 Casper 更轻，所以 Tendermint 更适合参与者相对可信的区块链，比如作为公链/私链相结合的企业级区块链。 但是Casper假设区块链中的参与者都是不可信任的，所以相对于Tendermint，它设计了非常严厉的惩罚机制，因此更适合没有信任基础的去中心化区块链。 当然，两者都还存在问题，离完善的共识机制还很远。 Code is Law，期待未来我们一起看到更完善的机制。

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