摘要：一般來說，吞吐量和延遲也難以兩全，這是因?yàn)楣沧R的消息復(fù)雜度有一個(gè)下限對于每一輪共識，參與共識的節(jié)點(diǎn)至少要收到一次消息否則連要共識的東西是什么都不知道。如何處理共識參與者的動態(tài)變化，是區(qū)塊鏈共識的一個(gè)核心問題。

[1] 延遲為交易發(fā)出到被共識確認(rèn)所需要的時(shí)間。低：<10s，中：10s-600s，高：>=600s
[2] 保持共識性能的情況下允許的共識節(jié)點(diǎn)數(shù)量。低：<100，中：>=100，高：沒有限制
[3] Bitcoin的Nakamoto Consensus具有很低的通訊開銷（communication overhead），但由于共識參數(shù)的設(shè)定（10分鐘區(qū)塊間隔，~4MB區(qū)塊容量）導(dǎo)致帶寬利用率低。
[4] EOS的宣傳中說的是BFT，但是與一些朋友交流得知現(xiàn)在用的依然是NC，也就是說EOS的DPoS與BitShares的DPoS應(yīng)該是一樣。

共識算法是一個(gè)很大的話題，在區(qū)塊鏈出現(xiàn)之前，分布式系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域都已經(jīng)有很多的共識算法的研究和沉淀。但區(qū)塊鏈的共識與之前的研究又有非常大的不同，如果不注意很容易掉進(jìn)傳統(tǒng)共識的老套路里面。實(shí)際上不僅僅是區(qū)塊鏈有自己的獨(dú)特需要，我的感覺是數(shù)據(jù)庫會議上的共識研究和分布式系統(tǒng)上的共識研究也是有不小的區(qū)別。其實(shí)這非常好理解，因?yàn)閳鼍安煌铮O(shè)計(jì)自然不同。

本文嘗試提出一個(gè)分析區(qū)塊鏈共識的簡單框架，方便將不同的區(qū)塊鏈共識放到一起來比較。

共識的基本度量包括兩個(gè)方面，正確性和性能。正確性簡單來說包括：

一致性(Consistency) - 節(jié)點(diǎn)最終能看到相同的本地狀態(tài)

活性(Liveness) - 請求/交易總會在有限時(shí)間內(nèi)被處理

正確性是最最基本的要求，這也是大部分區(qū)塊鏈共識都能做到的。要在異步網(wǎng)絡(luò)中始終保證一致性和活性是一個(gè)非常難的任務(wù)，因此共識設(shè)計(jì)通常會選擇保證一點(diǎn)而在一些特定情況下放棄另外一點(diǎn)，例如Bitcoin使用的Nakamoto共識選擇優(yōu)先保證活性，而BFT共識則優(yōu)先保證一致性。

性能包括：

吞吐量(Throughput) - 單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)可以處理的請求數(shù)量

延遲(Latency) - 一個(gè)請求/交易從發(fā)起到處理完畢/完全確定所需要的時(shí)間

對吞吐量和延遲的影響因素很多，例如共識節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，共識的消息復(fù)雜度，消息驗(yàn)證需要的時(shí)間，共識可用的帶寬，共識設(shè)計(jì)的傾向等等。一般來說，吞吐量和延遲也難以兩全，這是因?yàn)楣沧R的消息復(fù)雜度有一個(gè)下限：對于每一輪共識，參與共識的節(jié)點(diǎn)至少要收到一次消息（否則連要共識的東西是什么都不知道）。如果要低延遲，就要盡快對每個(gè)請求/交易的達(dá)成一致，意味著單個(gè)請求/交易需要更高的消息復(fù)雜度；如果要高吞吐，就要盡可能的對請求/交易進(jìn)行批量處理，以此降低單個(gè)請求/交易的消息復(fù)雜度，但也會造成高延遲。

對于共識性能，Nervos研究團(tuán)隊(duì)的張韌提出的一個(gè)比較有參考性的指標(biāo)是共識對帶寬的利用率：給定相同的帶寬，共識對帶寬的占用越低，共識的吞吐量越高。

無論是permissionless（翻譯成“無需許可”太繞口了，用“公有鏈”又不是很準(zhǔn)確，這里還是用單詞）還是permissioned blockchain，最重要的一個(gè)特征是它是一個(gè)長期運(yùn)行的開放系統(tǒng)。長期運(yùn)行和開放疊加的結(jié)果是，共識的參與者會一直變化，每隔一段時(shí)間，總會有老的共識節(jié)點(diǎn)離開，新的共識節(jié)點(diǎn)加入，共識參與者是一個(gè)動態(tài)集合。如何處理共識參與者的動態(tài)變化，是區(qū)塊鏈共識的一個(gè)核心問題。

與區(qū)塊鏈共識不同，傳統(tǒng)的共識研究往往先假設(shè)一個(gè)固定的參與者集合，然后研究如何在這個(gè)集合內(nèi)達(dá)成共識，偶爾討論參與者集合變化時(shí)的處理，基本上不關(guān)心參與共識需要什么樣的資格。研究的重心在于如何保證共識的正確性（e.g. 一致性與活性），形成共識集合的方式只是個(gè)附屬課題。傳統(tǒng)共識的應(yīng)用場景往往是中心化控制的網(wǎng)絡(luò)，增加或者減少的服務(wù)器都是自己的，形成這樣的側(cè)重也很自然。

去中心化是permissionless blockchain共識協(xié)議的一個(gè)獨(dú)特目標(biāo)。我們通常用參與共識的門檻來度量去中心化程度（為什么這是一個(gè)好的度量？），參與門檻越低，去中心化程度越高。低參與門檻的自然結(jié)果是共識參與者的集合可以非常的大，因此共識協(xié)議的設(shè)計(jì)必須考慮到這一點(diǎn)，保證共識效率不會因?yàn)閰⑴c者的增多而下降。

執(zhí)行共識算法的目的是為了能對一個(gè)計(jì)算請求產(chǎn)生一致的計(jì)算結(jié)果，在這個(gè)過程中一定會有發(fā)起請求的節(jié)點(diǎn)和處理請求的節(jié)點(diǎn)。在傳統(tǒng)共識模型中，有的完全在請求處理節(jié)點(diǎn)集合內(nèi)部執(zhí)行共識算法，有的是由請求發(fā)起節(jié)點(diǎn)和處理節(jié)點(diǎn)一起執(zhí)行共識算法，無論何種情況，信任邊界一般是在請求發(fā)起節(jié)點(diǎn)和請求執(zhí)行節(jié)點(diǎn)之間，發(fā)起節(jié)點(diǎn)將計(jì)算請求發(fā)送給執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)計(jì)算出結(jié)果后返回給發(fā)起節(jié)點(diǎn)，發(fā)起節(jié)點(diǎn)信任執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果（反過來，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)不一定信任發(fā)起節(jié)點(diǎn)的消息，如果發(fā)起節(jié)點(diǎn)參與共識過程的話）。

區(qū)塊鏈共識的信任模型則大為不同，對信任的要求往往要小的多。在permissionless blockchain網(wǎng)絡(luò)中，同一個(gè)節(jié)點(diǎn)即發(fā)起交易又參與共識，節(jié)點(diǎn)對于共識結(jié)果要進(jìn)行驗(yàn)證，并不是簡單的信任其他節(jié)點(diǎn)的共識結(jié)果。以Bitcoin為例，如果一個(gè)全節(jié)點(diǎn)參與挖礦，它就同時(shí)是一個(gè)發(fā)起請求（交易）的節(jié)點(diǎn)和處理請求（交易）的節(jié)點(diǎn)。即使它只想做一個(gè)安靜的全節(jié)點(diǎn)，不參與挖礦，它也會自行驗(yàn)證收到的請求處理結(jié)果（區(qū)塊），并不信任其他共識節(jié)點(diǎn)提供的結(jié)果。這樣的全節(jié)點(diǎn)只是選擇跟隨多數(shù)算力選擇的交易排序，不相信多數(shù)算力給出的交易結(jié)果。這是一個(gè)最小的信任模型。

SPV/輕節(jié)點(diǎn)使用一個(gè)比全節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)的信任模型（更強(qiáng)意味著對信任的假設(shè)更多），并不驗(yàn)證交易的執(zhí)行，只驗(yàn)證區(qū)塊頭的有效性。如何驗(yàn)證區(qū)塊頭的有效性則是區(qū)塊鏈共識設(shè)計(jì)的另一個(gè)核心問題。如果只是通過對區(qū)塊頭附帶的非對稱簽名來驗(yàn)證有效性，這個(gè)信任模型基本上和傳統(tǒng)共識的信任模型是等價(jià)的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)共識中的請求處理節(jié)點(diǎn)也可以對結(jié)果附加簽名，這個(gè)模型在結(jié)合動態(tài)參與者集合時(shí)會遇到一系列的問題，例如大家熟知的長程攻擊。如果是通過PoW來驗(yàn)證區(qū)塊頭有效性則天然沒有這些麻煩，主流的研究方向是在于如何進(jìn)一步提高區(qū)塊頭的驗(yàn)證效率。

根據(jù)以上的分析，我們可以整理出一個(gè)簡單的區(qū)塊鏈共識分析框架，用于比較各種區(qū)塊鏈共識：

進(jìn)入方式* - 購買算力 / 抵押代幣 / …

出塊方式* - 輪流出塊 / PoW隨機(jī)選擇 / 鏈上偽隨機(jī) / VRF隨機(jī)選擇 / …

共識方式* - Nakamoto Consensus / BFT / …

退出方式* - 停止挖礦 / 解除抵押 / ...

一致性 - 可以容忍多少惡意節(jié)點(diǎn)/算力/Stake/…

活性 - 可以容忍多少惡意節(jié)點(diǎn)/算力/Stake/…

延遲 - 交易被完全確認(rèn)(被推翻的概率小于x)所需要的時(shí)間

帶寬效率 - 共識對帶寬的利用率，越高越好

節(jié)點(diǎn)數(shù)量 - 共識節(jié)點(diǎn)的數(shù)量上限是高還是低

舉例說明：

[1] 99%的確定性
[2] 考慮自私挖礦
[3] 無論多小的正常算力都有機(jī)會出塊，但是平均延遲會增加
[4] https://github.com/tendermint...
[5] https://medium.com/nervosnetw...

對于一個(gè)區(qū)塊鏈共識協(xié)議來說，前四點(diǎn)（帶*）基本上決定了后面的特征。通過這個(gè)框架也容易看到，我們通常所說的“PoW共識”或者“PoS共識”是非常模糊的描述，PoW/PoS僅僅是選擇出塊節(jié)點(diǎn)的方式，不能表達(dá)具體的共識過程是什么樣子。我們甚至可以設(shè)計(jì)一些非常混搭的共識協(xié)議，例如設(shè)計(jì)一個(gè)需要通過抵押代幣來參與，通過PoW來選擇出塊節(jié)點(diǎn)，通過Nakamoto Consensus形成最長（重）鏈的協(xié)議（可以給它取名叫StakingPoW，完美結(jié)合Staking熱點(diǎn)），或者是設(shè)計(jì)一個(gè)需要通過PoW來參與（必須提供滿足一定難度的PoW才能參與共識），通過VRF來選擇出塊節(jié)點(diǎn)，通過BFT來達(dá)成共識的協(xié)議（這個(gè)可以起名叫PoW+VRF/BFT，讓人一看就從心底油然升起專業(yè)的感覺）。

在上面的框架之上，我們還可以疊加一個(gè)在傳統(tǒng)共識中沒有的維度：共識激勵(lì)。區(qū)塊鏈在共識中引入了經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，通過機(jī)制設(shè)計(jì)將納什均衡與系統(tǒng)目標(biāo)融合在一起，引導(dǎo)參與者遵守協(xié)議，共識參與者的效用函數(shù)可以方便的以其經(jīng)濟(jì)收益（即獲得的獎(jiǎng)勵(lì)減去參與共識的成本）來衡量。共識獎(jiǎng)勵(lì)往往通過系統(tǒng)內(nèi)原生代幣實(shí)現(xiàn)，獎(jiǎng)勵(lì)價(jià)值由代幣價(jià)值決定，在一個(gè)正確設(shè)計(jì)的共識協(xié)議中參與者應(yīng)該按照付出的多少獲得相應(yīng)的回報(bào)。共識成本的組成比較復(fù)雜，對應(yīng)上面的框架，我們需要分析共識的進(jìn)入成本，出塊成本，共識成本，退出成本，這些成本共同構(gòu)成了節(jié)點(diǎn)參與共識的成本。正確的共識激勵(lì)對網(wǎng)絡(luò)的安全性和去中心化程度都有影響，因此激勵(lì)分析是共識分析的一個(gè)重要部分。

你是不是覺得這個(gè)分析框架有道理呢？歡迎給我們提出意見！本文感謝 Jan、萬涔涔、高亦民 的共同撰寫分析。

如果你有興趣，不妨嘗試一下用這個(gè)框架來分析整理一些區(qū)塊鏈共識協(xié)議(e.g. Casper/Ethereum 2.0, EOS, Cardano, Algorand, etc.)并回復(fù)到 Nervos Talk，也許我們可以一起整理出一個(gè)區(qū)塊鏈共識一覽表！