区块链可以说是最近几年最热的技术领域之一，区块链起源于中本聪的比特币，作为比特币的底层技术，本质上是一个去中央化的数据库，其特点是去中央化、公开透明，作为分布式账本技术，每个节点都可以到场数据库的记录。
区块链是一个留意安全和可信度胜过效率的一项技术，如果说互联网技术解决的是通讯题目，区块链技术解决的则是信托题目。
本日我们关注区块链中的核心题目：作为分布式账本，每个到场者都维护了一份数据，那么如何确认记账权，终极的账本以谁为准呢？
区块链的共识
区块链是一种去中央化的分布式账本体系，区块链的共识题目现实上是泉源于分布式体系的一致性题目。
共识（Consensus）故名思义，共同的认识，共识题目研究的是多个成员如何达成一致，典型的好比投票选举。
共识机制在区块链中扮演着核心的地位，共识机制决定了谁有记账的权利，以及记账权利的选择过程和理由。不同的虚拟货币采用共识机制也不同，常见的共识机制有 POW、POS、DPOS等。
我们前面提到 CAP 中的 C 是 Consistency（一致性），Consistency 和 Consensus 有什么区别呢？
Consistency 偏重的是内容在时间顺序上的一致和统一，而 Consensus 则是指由许多到场者对某项内容达成共识，以是一般把 Consistency 翻译为“一致性”，把 Consensus 翻译为“共识”。
拜占庭将军题目
前面的课程中我们已经分享了几个经典的一致性算法，如果把共识机制延伸到分布式体系中，就是体系需要有一个主进程来协调，体系的全部决定都由主进程来达成一致性。
到了区块链中，由于区块链是一种去中央化的分布式体系，以是区块链中是没有雷同于团队里的向导，以及分布式体系中的 master 脚色，这样就需要有某种共识机制，以便包管体系一致性。
一般在网络通信中，把节点故障，也就是信道不可靠的情况称为“非拜占庭错误”，恶意响应，也就是体系被攻击，传递错误消息称为“拜占庭错误”。
为什么叫拜占庭错误呢？现实上是来自于一个故事模子：
拜占庭帝国就是中世纪的土耳其帝国，拥有巨大的产业，周围 10 个邻邦垂诞已久，但拜占庭高墙耸立，固若金汤，没有一个单独的邻邦能够成功入侵。任何单个邻邦入侵都会失败，同时也有可能自身被其他 9 个邻邦入侵。
拜占庭帝国防御本领如此之强，至少要有十个邻邦中的一半以上同时进攻，才有可能攻破。然而，如果此中的一个或者几个邻邦本身允许好一起进攻，但现实过程出现叛逆，那么入侵者可能都会被歼灭。
于是每一方都小心行事，不敢轻易信赖邻国，这就是拜占庭将军题目。
（图片来自维基百科）
在拜占庭题目里，各邻国最重要的事变是：全部将军如何能过达成共识去攻打拜占庭帝国。拜占庭将军题目核心描述是军中可能有叛徒，却要包管进攻一致，由此引申到计算机领域，发展成了一种容错理论：
一群将军想要实现某一个目的，好比一致进攻或者一致退却，单独行动是行不通的，必须合作，达成共识；由于叛徒的存在，将军们不知道应该如何达到一致。
实在，拜占庭将军题目（Byzantine Generals Problem）和我们前面提到的 Paxos 算法、逻辑时钟等，都是由 Leslie Lamport 提出的。
Lamport 可以说是分布式体系的奠基人之一，由于在分布式领域的一系列贡献，Lamport 获得了 2013 年的图灵奖。
拜占庭将军题目和我们本日要讨论的记账权有什么联系呢？
在记账权的归属中，关键的是如何克制恶意共识的出现，也就是错误的记账，雷同如何处置惩罚拜占庭将军中的叛徒。
比特币是区块链技术最广泛的应用，在比特币中如何决定记账权呢？答案就是 POW 机制，接下来我们分析 POW 工作量证明机制。
POW 工作量证明
PoW（Proof of Work，工作量证明）被认为是经过验证最安全的拜占庭解决机制，最早是用来防垃圾邮件的，典型的就是 Google 邮箱的反垃圾邮件体系。
Google 邮箱强制要求每一个给 Google 服务器发送邮件的发送者，必须先完成一定量的计算工作，造成一小段时间的延迟，好比延迟 1 秒，如果是正常的邮件发送，这个时间是可以继承；如果是广告邮件发送者，由于要举行大量的发送工作，这种无价值的计算是无法忍受的。
挖矿的由来
挖矿是比特币体系中一个形象化的表达，那么挖矿是怎么来的呢？
比特币挖矿是将一段时间内比特币体系中发生的生意业务举行确认，并记录在区块链上形成新区块的过程，由于需要竞争记账权，使用计算机去计算 Hash 数值，随机碰撞解题，这个过程就是挖矿。
换句话说，就是比特币体系出一道数学题，大家抢答最优解，挖矿就是记账的过程，矿工是记账员，区块链就是账本。
比特币的 POW 实现
比特币中的 POW 实现，是通过计算来推测一个数值（Nonce），得以解决规定的 Hash 题目，下面是比特币的区块结构，可以看到区块头有个随机数字段，这个就是 Nonce 值：
中本聪在比特币体系中设置了一道标题，通过不断调治 Nonce 的值，来对区块头算 Hash，要求找到一个 Nonce 值，使得算出来的 Hash 值满足某个固定值。
详细的 Hash 方法一般是使用 SHA256 算法 ，你可以查看这个小工具来测试 在线加密解密。
我们来简化一下计算过程，假设第 100 个区块给出的区块值是下列字符串，最早计算出该字符串的节点可以获得比特币：
f7684590e9c732fb3cf4bf0b8e0f5ea9511e8bbaacb589892634ae7938e5700c
由于 Hash 算法是一个不可以逆的算法，没法通过详细的 Hash 值倒推出原文，这样每个节点只能采用穷举的方法，也就是选择各种字符串，好比开始的 a、b、c、1、2、3、…，不断的实验。
比特币体系自身会调治难度，控制解题的时间，一般来讲，约每 10 分钟挖出一个区块，在这 10 分钟内，计算机只能不绝地去计算，去试各种字符串。
这个过程现实上是考验各个节点的服务器性能，也就是算力。如果你算力非常强大，有几万台服务器，可以很快得到 Nonce 值，也就是精确答案：lagou，对应 Hash 值和标题要求一致。
接下来你就可以把这个 Nonce 值放在结构体里，通过 P2P 网络广播出去，其他的体系节点收到后，发现这个 Nonce 值是合法的，能满足要求，会认为你挖矿成功。
由于解出了标题，你会获得体系对应的比特币嘉奖，以及本区块内全部生意业务产生的手续费。其他节点发现有人已经算出来了，就会放弃本次计算，然后开启下一个区块的标题，去寻找下一个区块头的 Nonce 值。
作为落地的最大区块链体系，比特币的区块信息一直在动态生成。下面这张截图记录了比特币最近的区块信息，区块信息来自 https://www.blockchain.com/，你也可以点击链接查看最新的区块高度。
区块链分叉和 51% 攻击
Hash 题目具有不可逆的特点，重要依赖暴力计算，谁的算力多，谁最先解决题目的概率就越大。当掌握凌驾全网一半算力时，就能控制网络中链的走向，这也是所谓 51% 攻击的由来。
前面我们说过，由于区块链中每个节点都可以到场记账，体系中可能出现链的分叉（Fork），终极会有一条链成为最长的链。
但是在现实社会中，牵扯到到场各方巨大的长处关系，算力之间的博弈通常并没有那么简单，以比特币为例，已经分裂出了 BCH（比特币现金）、BTG（比特币黄金）等分叉币。
POW 机制优缺点
POW 的长处有很多，POW 是第一个完全实现去中央化共识算法的，并且节点自由进出，容易实现，由于对算力的高要求，粉碎体系花费的成本也巨大。
POW 机制的缺点也是显而易见的，最大的就是浪费能源，巨大的算力被浪费在了无尽的挖矿行为中，并且本身并不产生任何价值。
这也是区块链被很多人指责的一点，浪费了大量的能源，收获的仅仅是一堆无价值的数据存储，换个角度来思索，这也说明白在去中央化的场景下，实现信托是多么的困难。
另一方面也可以看到，大量的数字货币矿场都是建立在西南地域的深山中，使用当地代价低廉的电力资源，或者就直接和发电站建立在一起。
其他共识方法
除了 POW 机制，还有其他的共识方法，典型的就是 POS 和 DPOS 等。
POS 权益证明
POS（Proof of Stake，权益证明）雷同现实生活中的股东大会机制，拥有股份越多的人拥有越多的投票权，也就越容易获取记账权。
POS 是通过包管金来对赌一个合法的块成为新的区块，收益为抵押资本的利息和生意业务服务费。提供证明的包管金越多，则获得记账权的概率就越大，合法记账者可以获得收益。著名的数字货币 ETH（以太坊），就在共识算法中采用了 POS 机制。
DPOS 委托权益证明
采用 DPOS（Delegated Proof of Stake，委托权益证明）机制的典型代表是 EOS，如果说 POS 雷同股东大会，比力的是谁持有的股份多，那么 DPOS 雷同于公司董事会制度，在 DPOS 共识制度下，会选出一定数量的代表，来负责生产区块。
总结
区块链可以说是分布式体系最广泛的应用之一，本日介绍了区块链共识题目的由来、拜占庭将军题目，以及典型的 POW 解决机制。
区块链是一个非常广的主题，以拜占庭将军题目为例，在区块链之前，还有两种解决方案：口头协议和书面协议。专栏的内容是以分布式体系为主，后面的章节不会继续区块链相关话题的讨论，如果你希望相识更多的区块链技术及应用，下面附上了一些相关的资料：
- 《区块链开发指南》
- 《区块链核默算法解析》
- 比特币的区块结构解析
- 区块链技术发展及应用场景
- The Byzantine Generals Problem
- AI新智界-智能涌现，瞥见未来
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