從POW到Casper，感受以太坊共識機制演進藝術區塊鏈
對區塊鏈項目來說，共識機制是其根本價值所在。共識是區塊鏈應用落地的基礎，指的是參與者如何在此系統中進行協作。
前言
區塊鏈起源于比特幣，發展于以太坊。想對區塊鏈有系統性的認知，最好先熟知比特幣和以太坊的知識。這是我從比特幣和以太坊寫起的原因。
而對區塊鏈項目來說，共識機制是其根本價值所在。共識是區塊鏈應用落地的基礎，指的是參與者如何在此系統中進行協作。所以，本文希望能對比特幣和以太坊的共識機制做總結，幫助大家更好地認識區塊鏈的價值。
正文
初遇比特幣，很多人看到的是一個周身被貪婪、欺騙所圍繞，充滿暴戾與丑聞的事物。
而當有人試著吹散泡沫，探尋本源時，他們會為比特幣所構建的“共識”所折服。感覺像是走入一個全自動化工廠，每個處理事情的節點，都按照既定規則運轉。
從廣義上講，共識是一種社會協作方式，可在不同領域應用，提升效率，是比特幣區別于“郁金香”、“密西西比”等泡沫事件最本質的不同。
另一方面，比特幣共識并不完美。由于中本聰的原意是創造一種“錢”，所以在CAP原則（指的是在一個分布式系統中，一致性Consistency、可用性Availability、分區容錯性Partition tolerance，三者不可得兼）框架下，他選擇了一致性和分區容錯性，弱化了可用性，使比特幣共識在擴展應用時，遇到了難題。
CAP原則，文字內容來源于百度百科
基于此，有人試著去研究不同的共識機制，彌補比特幣在應用性上的不足。
以太坊社區是其中最著名的一群人，他們正嘗試把權益證明POS引入到以太坊中，并將此計劃命名為Casper（取自同名電影，中文譯為《鬼馬小精靈》）。
本文將圍繞比特幣工作量證明POW與以太坊權益證明計劃Casper展開敘述。
比特幣工作量證明POW
起初，中本聰想創造一種提前約定好發行機制，并且一旦發行，任何人都無法操控的貨幣。這樣就避免了有人因一己私利，通過控制貨幣發行量，變相盤剝民眾利益。
為了達成目的。首先，中本聰將比特幣總量設定在2100萬個，并利用動態函數，規定每10分鐘產出一定數量。這2100萬個幣，將于2140年全部流通于世。
其次，比特幣交易記錄不受任何數據中心控制，而是利用點對點技術（P2P），讓用戶之間直接轉賬，過程就像用微信互傳文件一樣。
為了維護系統正常運行，中本聰將新產出的比特幣與轉賬手續費，獎勵給記賬參與者（礦工，又稱節點）。干活的人得到了獎勵，這樣便有人心甘情愿的為系統付出了。
為了不出差錯，中本聰需要采取一套運行規則來使系統符合以下原則：
1. 結果一致。每個節點記錄的全網交易記錄是一致的。
2. 不可篡改。任何人無法篡改交易記錄。
3. 有效率。貨幣系統工作效率高。
4. 可持續。貨幣系統可一直運行下去。
而用以保證系統正常運行的規則，便是共識機制。
比特幣共識機制是如何運轉的呢？
當用戶A給用戶B轉賬時，節點（包括AB自己）的比特幣客戶端，會收到這一信息。
同時，所有參與者會在客戶端內，利用計算設備（礦機）每隔10分鐘計算一道“哈希難題”。這道難題出現時間及難度，受動態函數控制，以保證10分鐘間隔。
這個過程被稱作工作量證明（POW）。
率先計算出正確結果的節點，將根據代碼審查交易信息是否屬實，將包括AB用戶在內、一定時間段內的轉賬信息，打包在一起確認（打包成“塊”），并將當前的“塊”，連接到此前的“塊”上，生成“區塊鏈”，并同步（廣播）至全網所有比特幣節點。
此時，A給B的轉賬交易會判定為有效。
記賬節點獲得新產生的比特幣及轉賬手續費，作為獎勵，并開始新一輪的哈希難題計算。
此外，記賬結果以“最長鏈”為準。若有2個參與者同時完成工作量證明，并打包區塊，則他倆會開始“競賽”，誰最先產生新的區塊，就以誰為準。
工作量證明機制（POW）使每次參與記賬的節點是唯一的，計算結果會被廣播至全網且以最長鏈為準，這保證了全網節點交易記錄是一致的。
此外，在記賬時，節點同時會檢查與該交易有關的、所有地址的“未被花費的余額”（UTXO）。比如，檢查A是否有未被花費的余額，則需檢查A是否收到過更早的轉賬，以此類推，直到“創世交易”。
理論上，只要“創世交易”不變，當前每個人未被花費余額就是確定的。
創世交易不變，加上交易記錄分布式存儲，使得任何人無法篡改交易記錄。
比特幣生態
能源消耗與“下議院悲劇”
事實上，比特幣為了保證系統一致性，犧牲了可用性，并引出一系列問題。
首先，比特幣不是有效率的。
一方面，受到大小的限制，每個“塊”包含4000條交易數據，按10分鐘的生成時間換算，相當于每秒處理6.67條交易，以至比特幣的全網未確認交易數一度達12134筆，這對貨幣來說是不合格的。
另一方面，工作量證明機制消耗大量無謂資源。每次打包成塊時，所有節點分別計算哈希難題，而最終有資格記賬權的節點卻是唯一的。其余節點所做工作皆是浪費。
此外，為了有更大概率獲得記賬權，人們發明了專門的礦機來提高算力。而礦機在計算哈希難題過程中，消耗大量電力。據統計，目前全球比特幣礦場年耗電量，超過捷克等全球159個國家。
其次，比特幣或許不是可持續的，獨特的發行機制或許會讓比特幣陷入“下議院悲劇”。
由于中本聰規定，每產出21萬個區塊，新比特幣獎勵減半。到2140年，比特幣全部被挖出時，礦工獎勵僅剩用戶轉賬手續費。
同時，別忘了“塊”的大小是有限制的，所以手續費數量是一定的。
于是，在未來某一時刻，當礦工記賬獲得的比特幣獎勵，與礦機硬件、電力地租等成本持平時，大量礦工將退出比特幣系統，算力集中在少數人手里。
他們可以憑借已掌握的算力，在之前的區塊上，延伸出新的“最長鏈”，從而將另一條鏈作廢，從而將自己已經支付的幣取回。這會對比特幣系統造成毀滅性打擊。
算力攻擊
事實上，比特幣社區早已認識到問題的存在，近年來他們討論過擴大“塊”的容量，或者引入隔離見證、閃電網絡等方案，提高每秒可處理的交易數（TPS）。他們甚至還討論過是否擴大發行總量。但始終沒有達成一致。
好消息是，盡管比特幣支付還不像法幣一樣方便，但美國、日本、德國、加拿大、白俄羅斯、瑞士等國家已接受比特幣支付，并在一定法律范圍內，承認其合法地位，部分國家還設置了比特幣ATM機。
本質上，作為一種貨幣，比特幣正向著初衷邁進。相比之下，以太坊需要解決的問題，就要復雜很多了。
區塊鏈能干嘛？
比特幣誕生后，人們發現共識機制可以提供全新協作方式。
比如，游戲開發者可以將游戲內交易的部分，接入區塊鏈軟件開發工具包（SDK），這部分的數據將跟隨區塊鏈本身交易數據，一起被礦工打包確認。
這種做法對游戲開發者來說，可以節省相應儲存、計算成本。而對于玩家們來說，他們的交易記錄無法被任何人篡改，從而不會出錯。
再比如，A公司向B公司購買價值10萬元商品，雙方簽了合同，由C公司做證明人擔保，約定1個月后付款。合同信息由礦工打包進區塊鏈，無法被篡改。
B公司交付商品，C公司確認合格，雙方在支付賬戶內同時簽名，使區塊鏈內的合同生效。1個月后，A公司賬戶會自動向B公司付款，無需人工干預。
事實上，區塊鏈項目“超級賬本”（hyperledger）正在積極實踐第二個例子所說的事情。目前，參與這一項目的公司，已經達200余家，包括荷蘭銀行、巴黎銀行、華為、三星、IBM等企業。
可以看出，當礦工打包確認的不僅僅是交易記錄，而是更廣闊的數據時，區塊鏈使用范圍也會隨之擴大，其功能跟云計算、支付寶等常見應用類似。
而由于區塊鏈具備不可隨意篡改、自動執行合約的特性，使得溝通、信任、執行等成本大幅降低，在部分場景中受到企業青睞。
但現階段，區塊鏈技術想做到大規模應用，還得解決諸多問題，其中效率和可持續，尤為關鍵。
所以，相比于比特幣，以太坊更關注可用性。
為此，他們正嘗試將共識機制由工作量證明（Proof of Work，簡寫為POW）轉換成權益證明（Proof Of Stake，簡寫為POS）。
并基于權益證明，開發以太坊獨有的Casper共識機制，提高交易處理速度等，著重解決效率和可持續問題。
該計劃將分為兩個階段實現，第一個階段名為Casper FFG，第二個階段名為Casper CBC。
以太坊生態
權益證明機制POS
本質上，以太坊也是一種“錢”，其產生過程同樣來自于礦工記賬獎勵。
只是，以太坊礦工除了記錄交易信息，還記錄游戲、金融領域的一些數據，這一載體被稱為“智能合約”。
所以，在解決效率和可持續問題之前，以太坊也需要做到結果一致、不可篡改。
那么，股權證明共識機制是如何運轉的呢？
當用戶間發生轉賬，以太坊節點客戶端，會收到信息。
同時，所有參與者（節點，或稱驗證人）客戶端會根據代碼，審核信息是否屬實，并自動打包成“塊”。然后客戶端會對這些“塊”進行投票。
得票最高的“塊”勝出，組成“鏈”，并同步至全網以太坊節點。此時，轉賬信息被判定為有效。
勝出“塊”的支持者們將獲得以太坊幣獎勵，并開始新一輪投票。
其中，投票權重由客戶端里以太坊幣的多少決定。客戶端持有的以太坊幣越多，投票權重越高，獲得獎勵概率越大。
這個過程被稱作權益證明（POS）。
在權益證明共識中，得票最高的“塊”通常是唯一的，且結果會被廣播是全網，這保證了全網交易記錄的一致性。
更重要的是，在權益證明機制產生區塊鏈的過程中，不需要使用機器計算“哈希難題”，使得其每秒可處理的交易次數大幅提升，并且節省了機器所需的電費、地租等成本。
以太坊權益證明Casper
今年5月，FFG階段第一個代碼版本已正式發布，旨在將以太坊工作量證明轉變為權益證明。
在Casper FFG階段，以太坊每50個區塊中，會有1個由權益證明產生。
在未來Casper CBC中，以太坊共識機制將全面轉為權益證明，并在此基礎上，做兩方面升級：加入保證金制度，上線分片技術。
保證金制度是為增強安全性而設立的。Casper規定，節點需提交以太坊幣作為保證金，一旦其想作弊，比如在為全部“塊”進行投票，或者試圖對網絡發起攻擊，則他們的保證金將全部被沒收。
而分片技術，是為了進一步提升系統處理交易的速度。分片技術指的是，先將節點分組，再將完整的交易數據分片，隨機放到不同組內驗證，最終結果打包成“塊”，組成“鏈”。
分片技術就像寫書一樣。首先，系統將“寫作主題”，也就是一定時間內的交易信息，梳理出“章節目錄”；然后，隨機將不同章節的寫作任務，分配給不同的小組。大家分頭寫完后，再組合成“書”。
理論上，參與驗證的節點是無限多的，分組也會無限多，所以，以太坊處理交易速度是無限快的。
從目前的進度來看，以太坊有望在明年年底前，完成Casper CBC上線。
同時，隨著子母鏈（Plasma）、賬戶分離概念（account abstraction）以及無狀態客戶端(statelessclients)等功能上線，以太坊網路建設將全部完成。
網傳V神個人以太坊地址
V神的“驕傲”
Casper共識對于以太坊意味著什么？從其創始人V神（Vitalik Buterin，以太坊創始人）的言論中，可以看出端倪。
在他個人推特中，置頂內容是，提醒大家防范假冒以太坊的騙子。
此外，他還說過數字貨幣隨時可能歸零，以及勸賺錢的項目方不要炫富。
在接受“王峰十問”采訪時，V神表示，以太坊已經不再那么依賴比特幣了，并且他還認為交易所都應該下地獄。
將這些言論概括起來，V神表達的意思是，希望以太坊可以獨立活下去，不受比特幣和幣圈其他因素影響。Casper是這一切的開始。
權益證明不僅使以太坊從根本的共識機制上，區別于比特幣，更重要的是，它是有效率的，這使得以太坊幣這一數字資產，有了錨定實體產業應用的可能性，讓其嵌入實體經濟運行當中。
當以太坊幣有了實體資產負債做發行背書，其與法定貨幣已經沒有本質差別了。
而權益證明使得節點想參與記賬前，需買入大量以太坊幣，并鎖定。客觀上，鎖倉會使以太坊幣價格達到新高度。
若以太坊幣價借此超越比特幣，或將徹底擺脫比特幣“陰影”，其價格不受比特幣漲跌影響。
目前，Casper CBC的細節仍在討論中，整個網絡預計將于2019年部署完畢。經歷過The DAO黑客事件的V神，明顯比之前謹慎了很多。
他一手締造了幣圈的繁榮，這是他的“驕傲”，他不想讓自己的“驕傲”輕易死去。
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