共識機制

書接上回。現在每個節點上面，都有個包含所有歷史帳目的帳本。然而，節點與節點之間是如何產生共識，來確保大家手上的帳本都是一樣的呢？這次讓我們來回答區塊鏈三個基本問題中的第三個。

[ 前情提要 ]

• 要實現分散式帳本，有三個基本條件：有好的帳本結構、帳本無法被竄改、所有人都認可這一個帳本。
• 我們最終想要達成的是DLT，而實現它的技術，目前有Blockchain、Holochain、Hashgraph、Directed Acyclic Graphs（DAG）等等，而Blockchain只是目前最主流的一種。其他的我們之後有機會再提，暫且按下不表。
• 有共識的意思是說，所有節點上的帳本是一致且大家都認同的。至於「節點」該怎麼理解呢？想像手邊的一台電腦，在上面灌上特定的軟體（例如以太坊的Geth），它就能自動的不斷更新到最新的帳本資訊，這樣你的筆電也就是一個節點了。（節點可以單純的用來儲存帳本，跟要不要去挖礦是兩回事）
• 之所以要有共識機制，是要處理有壞節點存在的情況。壞節點指的是想來搞破壞的節點。畢竟真實世界是個黑暗森林，歲月靜好只存在平行世界中。假設你在自己電腦的帳本上，胡亂加入一條別人匯錢給自己的假資訊，然後廣播出去，那就是一個壞節點，Bad。
• 處理好共識問題，等價於做到了「去信任化（trustless）」：不用假定別人是好人，也能夠透過一套機制，去信任他人。這是一件非常非常偉大的事情，你品，你細品。
• 接著正式開始介紹幾個常見的重要共識機制。

[ Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) 實用拜占庭容錯算法 ]

• 1999年的一篇論文提出來，為的是解決拜占庭將軍問題。
• 拜占庭將軍問題是指，節點之間想決定一件事情，例如大家往前走一步，或是大家往後退一步，同進退就能活下來，不同步的話就大家一起掛掉。
• 每個節點都可以跟每個節點溝通，但存在壞節點想搞破壞，不知道是哪一個。
• 有很多人對拜占庭將軍問題提出解法，但複雜度都過高，沒那麼實用。是直到1999年那一篇論文才出現相對「實用」的解法的。
• 結論是，當壞節點不超過總結點數的1/3，好節點之間還是能達成正確的共識活下來。
• 但存在的限制是，節點必須是給定的，也就是不能到一半加入其他節點。加上處理問題的時間複雜度是O(N^2)，所以在現實世界的實用性不高。
• 無論如何，它是共識機制界的OG。數學上來說，可以理解所有的共識機制，本質都是想要解決拜占庭將軍問題。

[ Proof of Work (PoW) 工作量證明 ]

• 概念上就是天道酬勤。
• 上一篇說到挖礦這件事，就是去算出正確的Nonce值，讓Hash值去滿足對應的要求（例如最前面多少位是零），這個去「算出正確的Nonce值」就是工作（Work）。
• 最先算出答案的礦工會把答案告訴其他節點，而其他節點驗證沒問題之後，Block就會成立，接到原有的鏈上去，而這個最先算出來的礦工可以獲得一定的獎勵。
• 平均來看，如果佔全部礦工運算資源的X%，也對應能獲得X%的總獎勵。
• 這裡共識的邏輯是，因為你努力工作了，所以大家相信你，算是第一代區塊鏈最常見的共識機制。
• 從另一個角度去理解，那個出塊的礦工是一個獨裁者，PoW就是一個透過解數學問題，隨機分配讓礦工作為獨裁者的權利。
• 要避免這個幸運的獨裁者作惡，通常會搭配「最長鏈原則」使用。也就是想作惡的人，只幸運一次是沒用的，其他人下一輪會就看出來，並選擇不認你這個有作惡過的鏈。這是一個多期的賽局。
• 現在使用PoW的主要就Bitcoin，比較新的鏈幾乎不用，原因有很多：例如礦工們會專門製造了算Nonce的處理器（ASIC）去挖礦。想像一下，有一堆超級電腦，就只是在那邊算一個亂數，不只耗電不環保，也對人類文明沒有任何貢獻。
• 但當然也有人持相反的論點：説一種貨幣想要能真正的存儲「價值」，就必須有相對應的付出。像美元那樣能靠信用直接印鈔，或是PoS那樣大者恆大的機制，是條錯誤的路線。有興趣的可以去看看《貨幣未來：從金本位到區塊鏈》，裡面有很多發人省思的論點。

[ Proof of Stake (PoS) 權益證明 ]

• 在這機制之下，一個新區塊的確認，是由一位稱為「**驗證者（validator）」**來做確認的。
• 想成為驗證者，你需要先質押（stake）代幣到某個網路上（例如質押ETH到以太坊上）。然後系統會直接用質押股權的高低，來分配給你當驗證者的機會。也就是礦工之間不用再競爭了，我們直接來比股權的多寡就行。
• 股權詳細來說，是基於資產加權的幣齡去決定。例如存一天的10 ETH跟，跟存十天的1 ETH會有同樣的權重。一但被選中之後，拿過獎勵的驗證者，權重會歸零。（不然某人有51%的總資產，就都他在拿就好了）
• 這種有參與驗證人選拔的節點，我們稱之為「驗證節點」。
• 驗證者的獎勵通常是這個新添區塊中的交易手續費，而不會有像PoW中的新區塊鑄造獎勵。這也是我們會聽到：「以太坊從PoW轉換成PoS之後，ETH的通膨問題會大大減少」，這句話的論點來源。
• 如果一個節點想停止驗證節點的身份，那麼它的股權和所得的獎勵將在一段時間後才被釋放，從而使網絡有時間，驗證該節點是否向區塊鏈中添加了假區塊。
• PoS這套機制的底層道理是，用戶必須先把真金白銀壓在網路上，如果敢作惡的話，網路就把你的本金沒收。
• PoS的主要優點是能源消耗低和安全性高，是目前的主流。

[ Delegated Proof of Stake (DPoS) 委託權益證明 ]

• 由Daniel Larimer 在2014年提出。
• 可以投票給幾個代表代替他們保護網絡。
• 代表們也被稱為「見證人」，他們有責任在產生和驗證新區塊的過程中達成共識。
• 投票權與每個用戶持有的幣數量成比例，投票系統也因項目而異。
• 通常代表們也會收集獎勵並按比例分配給投票者們。
• 優點很明顯，因為節點少，所以在性能方面與PoW和PoS相比更強，也就是理論上TPS能更高。
• 與PoS相比，這就像直接民主跟間接民主的差異：直接民主確實很民主，但很多事情決定起來很慢，也會有很多內耗。越極權處理事情效率就能更高，但有中心化的風險。
• 所以缺點也很明顯，因為依賴特定節點，在三難問題中，犧牲了一些去中心化。
• （TPS 是 Transaction Per Second的縮寫， 是衡量一條鏈很重要的一個指標）

[ Proof of Authority (PoA) 權威證明 ]

• 由Gavin Wood在2015提出。
• 找幾個願意暴露自己真實身份，同時又是權威的人士來當作驗證者。
• 節點數可以很少，所以TPS可以很好，交易費用可以很低，但缺點是過於中心化。
• 可以理解成極端版本的DPoS。
• 通常會搭配多重簽證機制來防，就是必須要多位權威全都有共識，才能算。
• PoS的假設是，當用戶壓越多資金在網路上，則越有動機維護網路的安全。但是這假設沒有考慮到的是，同樣的絕對金額，對越有錢的人來說，佔其總資金的比例就越低，那麼他的維護網路安全的動機也會越低。舉例來說，我很窮，我放一千鎂在以太坊上，佔了我總資產的一半，則我會超有動機好好做事，不然被沒收一千鎂可能就要直接去睡公園；但如果是讓Elon Musk來，他放一千萬鎂在以太坊上，這佔他總資產的九牛一毛，則他要任性作惡一下對他影響也不大。
• PoS抵押的是錢，而PoA抵押的是信用。當然，這前提是驗證者的信用是有價值的。
• PoA因為不夠去中心化，無法被大規模的採用。所謂知人知面不知心，王力宏都可以一夜身敗名裂，誰來當這個權威早晚感覺都會出事。
• 不過，它的用途是在一些去中心化不是特別重要的情境：例如企業內部使用時，因為不想承受公鏈過高的手續費時，自架自己的私有鏈，這時候用PoA則很常見。

[ Proof of History (PoH) 歷史證明 ]

• 這邊只概念性上的講一下，之後介紹Solana時候會再深入一點講解。
• 共識機制，從更高的角度去理解，它是想要建立一個時間的概念，就是想要分清楚兩個事件的先來後到。共識上有衝突，也可以被理解成時空上有矛盾。
• PoH用了一個叫做VDF (Verifiable Delay Function) 的函數，可以幫每一筆交易加上了一個加密不可更動的時間戳。
• 相較的，其他共識機制的時間戳是放在區塊上的，所以需要讓每個節點都確認新區塊，有全局的共識之後，時間才會往後走一步，而這個等待，正是很多鏈TPS上不來的主因。
• 嚴格來說，PoH不是一個共識機制，它是一套建立時間概念的手段：直接讓交易有了先後順序，一條鏈就可以省略「節點之間全局共識」的過程，能讓鏈作到異步更新，這也能讓TPS大大的提高。

前面分別介紹了幾個重要的共識機制，在實際操作上，它們甚至還可以結合起來用的，例如PoS + PoW的混合。共識機制是決定一條鏈性能最重要的元素，沒有之一。目前共識機制還沒有哪一個模型可以一統天下的，都是在三難問題上各有取捨，就讓我們作為歷史見證者繼續看下去。這篇先到這了，Be Happy & Stay Tuned，下次見！