什么是共识
什么是一致性？
分布式系统中，一致性是指对于系统中的多个服务节点，给定一系列操作，在协议（往往通过某种共识算法） 保障下，试图使得它们对处理结果达成某种程度的一致。如果分布式系统能实现“一致”，对外就可以呈现是一个功能正常的，性能和稳定性都要好很多的“虚处理节点”

一致性并不代表结果正确与否，而是系统对外呈现的状态一致与否，例如，所有节点都达成失败状态也是一种一致 ，分布式系统实现了一致性之后，对外部看来就是一个单节点系统
什么是共识算法呢？
共识算法解决的是在一个分布式的网络中，各节点对某个提案（Proposal） ，大家达成一致意见的过程。提案的含义在分布式系统中十分宽泛，如多个事件发生的顺序、某个键对应的值、谁是领导……等等，可以认为任何需要达成一致的信息都是一个提案，共识的目的就是为了达成一致，一致是目的，共识是手段。

如果分布式系统中各个节点都能保证以十分强大的性能（瞬间响应、高吞吐） 无故障的运行，则实现共识过程并不复杂，简单通过多播过程投票即可。很可惜的是，现实中这样“完美”的系统并不存在，如响应请求往往存在时延、网络会发生中断、节点会发生故障、甚至存在恶意节点故意要破坏系统

共识算法类型
Fabric共识机制

Fabric共识机制 Solo模式
Solo：中心化网络，整个fabric网络依赖于一个order节点
Fabric共识机制 Kafka模式
Kafka：半中心化
Fabric网络中的数据一致性，由Zookeeper来保证，并实现共识;

Zookeeper的核心是原子广播机制，这个机制保证了各个server之间的同步。实现这个机制的协议叫做ZAB协议，ZAB协议和Raft类似;

当前Fabric1.x平台只实现了非拜占庭共识;

目录

区块链的特点

1. 去中心化

2. 开放性

3. 独立性

4. 安全性

区块链关键技术

区块链网络通信层关键技术（P2P网络）

组网方式

P2P网络

永不停止

数据安全与隐私保护关键技术

时序链

分布式存储

加密技术

共识层关键技术

1. PoW

2. PoS

3. DPoS

4. PBFT

PoW、PoS、DPos共识机制优缺点

总结

---

区块链的特点

1. 去中心化

区块链技术不依赖额外的第三方管理机构或硬件设施，没有中心管制，除了自成一体的区块链本身，通过分布式核算和存储，各个节点实现了信息自我验证、传递和管理。去中心化是区块链最突出最本质的特征。

2. 开放性

区块链技术基础是开源的，除了交易各方的私有信息被加密外，区块链的数据对所有人开放，任何人都可以通过公开的接囗查询区块链数据和开发相关应用，因此整个系统信息高度透明。

3. 独立性

基于协商一致的规范和协议（类似比特币采用的哈希算法等各种数学算法），整个区块链系统不依赖其他第三方，所有节点能够在系统内自动安全地验证、交换数据，不需要任何人为的干预。

4. 安全性

只要不能掌控全部数据节点的51%，就无法肆意操控修改网络数据，这使得区块链本身变得相对安全，避免了主观人为的数据变更。

区块链关键技术

区块链使用的关键技术：加密技术、分布式存储、共识机制、智能合约

区块链网络通信层关键技术（P2P网络）

组网方式

区块链系统的节点一般具有分布式、自治性、开放可自由进出等特性，因而一般采用对等式网络（Peer-to-peer network），来组织散布全球参与数据验证和记账的节点。

P2P网络

每个节点均地位对等且以扁平式拓扑结构相互连通和交互，不存在任何中心化的特殊节点和层级结构。每个节点均会承担 网络路由、验证区块数据、传播区块数据，发现新节点 等功能。按照节点存储数据量不同，可以分为全节点和轻量节点。

永不停止

初始化时通过硬编码的种子节点建立连接。

区块链网络层封装了区块链系统的组网方式，消息传播协议和数据验证机制等要素，结合实际应用需求，通过设计特定的传播协议和数据验证机制，可使区块链系统中每个节点都能参与区块数据的校验和记账过程。仅当区块数据通过全网大部分节点验证后，才能记入区块链。

 区块链网络特点：网络路由、验证区块数据、传播区块数据、发现新节点（挖矿）

数据安全与隐私保护关键技术

时序链

区块链通过将数据打包成区块，并按时序链接，从而让数据具备不可更改的特点。每一笔数据都打上时间戳，除非可以提供之前所有工作量证明，否则数据不能被更改。

分布式存储

每一个节点都参与记账，从而让每一个节点都参与数据安全存储，数据无法被破坏。每一个节点都进行数据验证，非法数据无法进入。分布式结构保证了数据的完整性。

加密技术

密码学是区块链技术的基础。比特币的区块链中用到了公钥密码体制、数字签名、Hash函数等密码学技术。每一笔交易都基于用户私钥数字签名，保证了交易的可信和安全。

共识层关键技术

共识即多个个体达成一致的机制。它就像一个国家的法律，维系着区块链世界的正常运转。在区块链上，每个人都会有一份记录链上所有交易的账本，链上产生一笔新交易时，每个人接收到这个信息的时间是不一样的，有些想要干坏事的人就有可能在这时发布一些错误的信息，这时就需要一个人把所有人接收到的信息进行验证，最后公布最正确的信息。

区块链中共识机制解决两个问题：

分布式网络数据一致性，即不同的节点记录的数据必须相同；

数据有效性，节点记录的数据格式和内容必须满足区块链规则。

共识机制的本质即消耗资源以换取信任。因此共识机制的评判标准可以总结为 “消耗多少资源，换取多少节点的信任，换取信任的程度，换取信任的速度，换取是否需要前提条件”，即资源消耗问题、节点扩展性问题、安全性问题、效率问题以及开放性问题。

常见的共识机制如下图所示：

需要掌握以下几种共识机制：

PoW：工作量证明

PoS：权益证明

DPoS：授权权益证明

POA：权威证明

PBFT：实用拜占庭容错算法

DBFT：授权拜占庭容错算法

1. PoW

PoW（Proof of Work）工作量证明机制。

基本原理：第一代共识机制，比特币的基础 。通过算力的比拼来选取一个节点，由该节点决定下一轮共识的区块内容（记账权）。提供算力服务的过程就是 “挖矿”。第一个找到合适的nonce的节点获得记账权。节点生成新区块后广播给其他节点，其他节点对此区块进行验证，若通过验证则接受该区块。在每一轮共识中，只有一个节点的工作量有效。

PoW机制优点：可以吸引很多用户参与其中，特别是越先参与的获得越多奖励，会促使加密货币的初始阶段发展迅速，节点网络迅速扩大。在CPU挖矿时代，比特币吸引了很多人参与“挖矿”，就是很好的证明。通过“挖矿”的方式发行新币，把比特币分散给个人，实现了相对公平。

PoW机制缺点：对能源的直接消耗，与人类追求节能、清洁、环保的理念相悖。算力集中越来越明显，这与去中心化的方向背道而驰。比特币区块奖励每4年将减半，当挖矿的成本高于挖矿收益时，人们挖矿的积极性降低，会有大量算力减少，比特币网络的安全性进一步堪忧。

算力竞争流程

PoW应用：Bitcoin比特币、Ethereum以太坊、Litecoin莱特币、Dogecoin狗狗币

2. PoS

PoS(Proof of Stake)：权益证明机制

在PoS共识中，节点争夺记账权依靠的不是算力而是权益（代币）。PoS同样需要计算哈希值，但与PoW不同的是不需要持续暴力计算寻找nonce值，由系统中具有最高权益而非最高算力的节点获得区块的记账权。权益体现为节点对特定数量货币的所有权，称为币龄。币龄是区块链一个重要的概念。

币龄 = 每笔交易的金额（币） * 这笔交易在账上留存的时间（天）

PoS权益证明机制在2013年被提出并首次应用在Peercoin系统中，目的是解决资源浪费的问题。

PoS实施流程：

PoS机制优点：每个节点在每一轮共识中只需要计算一次Hash，当拥有的权益越多，满足Hash目标的机会越大，获得记账权的机会越大。可以说，PoS是一个资源节省的共识协议。

PoS机制缺点：

1. 从PoS的实现算法公式看，币龄的计算公式中，假如一开始挖矿只有创世区块中有币，也就是说其他矿机是没法参与挖矿的，因为币的个数这个值对他们来说永远是零，这也就是PoS机制的缺陷之一币无法发行的问题。

2. 从PoS的实现算法公式可以分析到，币龄其实就是时间，一旦挖矿者囤积一定的币，很久很久之后发起攻击，这样他将很容易拿到记账权，所以我们得给每个币设计一个时间上限。

3. 代币的数量这个因素还是会影响我们拿到记账权，很多挖矿者还会囤积代币，给代币造成流通上的缺陷。目前有些平台引入币龄按时间衰弱的方案来解决这一缺陷（例如：瑞迪币）。

4. 即使上面的各种缺陷都多少有些解决方案，但例如挖矿者挖一段时间后离线，此时，时间将不纳入币龄减弱计算，这样，挖矿者通过离线时间长来囤积挖矿，同样面临灾难。

PoS应用：Ethereum以太坊、 Peercoin点点币、 Nxt未来币

3. DPoS

DPoS（Delegate Proof of Stake）委托权益证明

DPoS是由PoS演化而来的。它的原理是让每一个持有比特股的人进行投票，同此产生101位代表，我们可以将其理解为101个超级节点或者矿池，而这101个超级节点彼此的权利是完全相等的。

DPoS特点：节能，快速出块。

DPoS应用：EOS、 BitShares、 Steemit、 List、 Ark

4. PBFT

PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)拜占庭共识算法，基于消息传递的一致性算法，算法经过三个阶段达成一致性。拜占庭容错能够容纳将近1/3的错误节点误差。也是一种常见的共识证明。它与PoW、PoS、DPoS都不相同，PBFT以计算为基础，没有代币奖励。由链上所有人参与投票，少于（n-1）/ 3 个节点反对时就获得公示信息的权利。

举个例子：

下图中，A为发送请求端，0123为服务端，其中3为宕机的服务端

1. Request阶段：请求端A发送请求到服务端0

2. Pre-prepare阶段：服务端0收到A的请求后进行广播，扩散至123服务端

3. Prepare阶段：服务端123收到后记录并再次广播，1->023,  2->013，3因宕机无法广播

4. Commit阶段：0123节点在Prepare阶段，若收到超过一定数量的相同请求，则进入Commit阶段，广播Commit请求

5. Reply阶段：0123节点在Commit阶段，若收到超过一定数量的相同请求，则对A进行反馈

PBFT应用：Hyperledger Fabric、Stellar、Ripple、Dispatch

PoW、PoS、DPos共识机制优缺点

共识机制	优点	缺点
PoW	算法简单，容易实现； 节点间无需交换额外的信息即可达成共识； 破坏系统需要投入极大的成本；	浪费能源； 区块的确认时间难以缩短； 容易产生分叉，需要等待多个节点确认； 永远没有最终性，需要检查点机制来弥补最终性；
PoS	资源消耗少	实现较为复杂； 中间步骤较多，容易产生安全漏洞； 网络流量压力大；
DPos	资源消耗少； 网络资源消耗小； 共识时间短； 吞吐量高；	实现较为复杂； 中间步骤较多，容易产生安全漏洞；

总结

1、区块链的特点：去中心化、开放性、独立性、安全性

2、区块链关键技术：加密技术、分布式存储、共识机制、智能合约

3、区块链网络层关键技术：P2P网络、传播数据区块、验证数据区块

4、区块链的网络特点：网络路由、验证区块数据、传播区块数据、发现新节点

5、数据安全与隐私保护关键技术：时序链、分布式存储、加密技术

6、共识层关键技术：PoW、PoS、DPoS、POA、PBFT、DBFT等

7、共识机制解决的2个问题：分布式网络的数据一致性，数据有效性

8、PoW：工作量证明机制

9、PoS：权益证明机制

10、币龄 = 每笔交易的金额（币） * 这笔交易在账上留存的时间（天）

11、DPoS：授权权益证明机制，是由PoS演化而来

12、PBFT：实用拜占庭容错共识算法，以计算为基础，没有代币奖励

13、PoW、PoS、DPos共识机制优缺点比较

上一篇：区块链的数据结构_ling1998的博客-CSDN博客

下一篇：区块链网络架构_ling1998的博客-CSDN博客