从POW到Casper，感受以太坊共识机制演进艺术

前言

区块链起源于比特币，发展于以太坊。想对区块链有系统性的认知，最好先熟知比特币和以太坊的知识。这是我从比特币和以太坊写起的原因。

而对区块链项目来说，共识机制是其根本价值所在。共识是区块链应用落地的基础，指的是参与者如何在此系统中进行协作。所以，本文希望能对比特币和以太坊的共识机制做总结，帮助大家更好地认识区块链的价值。

正文

初遇比特币，很多人看到的是一个周身被贪婪、欺骗所围绕，充满暴戾与丑闻的事物。

而当有人试着吹散泡沫，探寻本源时，他们会为比特币所构建的“共识”所折服。感觉像是走入一个全自动化工厂，每个处理事情的节点，都按照既定规则运转。

从广义上讲，共识是一种社会协作方式，可在不同领域应用，提升效率，是比特币区别于“郁金香”、“密西西比”等泡沫事件最本质的不同。

另一方面，比特币共识并不完美。由于中本聪的原意是创造一种“钱”，所以在CAP原则（指的是在一个分布式系统中，一致性Consistency、可用性Availability、分区容错性Partition tolerance，三者不可得兼）框架下，他选择了一致性和分区容错性，弱化了可用性，使比特币共识在扩展应用时，遇到了难题。

CAP原则，文字内容来源于百度百科

基于此，有人试着去研究不同的共识机制，弥补比特币在应用性上的不足。

以太坊社区是其中最著名的一群人，他们正尝试把权益证明POS引入到以太坊中，并将此计划命名为Casper（取自同名电影，中文译为《鬼马小精灵》）。

本文将围绕比特币工作量证明POW与以太坊权益证明计划Casper展开叙述。

比特币工作量证明POW

起初，中本聪想创造一种提前约定好发行机制，并且一旦发行，任何人都无法操控的货币。这样就避免了有人因一己私利，通过控制货币发行量，变相盘剥民众利益。

为了达成目的。首先，中本聪将比特币总量设定在2100万个，并利用动态函数，规定每10分钟产出一定数量。这2100万个币，将于2140年全部流通于世。

其次，比特币交易记录不受任何数据中心控制，而是利用点对点技术（P2P），让用户之间直接转账，过程就像用微信互传文件一样。

为了维护系统正常运行，中本聪将新产出的比特币与转账手续费，奖励给记账参与者（矿工，又称节点）。干活的人得到了奖励，这样便有人心甘情愿的为系统付出了。

为了不出差错，中本聪需要采取一套运行规则来使系统符合以下原则：

1. 结果一致。每个节点记录的全网交易记录是一致的。

2. 不可篡改。任何人无法篡改交易记录。

3. 有效率。货币系统工作效率高。

4. 可持续。货币系统可一直运行下去。

而用以保证系统正常运行的规则，便是共识机制。

比特币共识机制是如何运转的呢？

当用户A给用户B转账时，节点（包括AB自己）的比特币客户端，会收到这一信息。

同时，所有参与者会在客户端内，利用计算设备（矿机）每隔10分钟计算一道“哈希难题”。这道难题出现时间及难度，受动态函数控制，以保证10分钟间隔。

这个过程被称作工作量证明（POW）。

率先计算出正确结果的节点，将根据代码审查交易信息是否属实，将包括AB用户在内、一定时间段内的转账信息，打包在一起确认（打包成“块”），并将当前的“块”，连接到此前的“块”上，生成“区块链”，并同步（广播）至全网所有比特币节点。

此时，A给B的转账交易会判定为有效。

记账节点获得新产生的比特币及转账手续费，作为奖励，并开始新一轮的哈希难题计算。

此外，记账结果以“最长链”为准。若有2个参与者同时完成工作量证明，并打包区块，则他俩会开始“竞赛”，谁最先产生新的区块，就以谁为准。

工作量证明机制（POW）使每次参与记账的节点是唯一的，计算结果会被广播至全网且以最长链为准，这保证了全网节点交易记录是一致的。

此外，在记账时，节点同时会检查与该交易有关的、所有地址的“未被花费的余额”（UTXO）。比如，检查A是否有未被花费的余额，则需检查A是否收到过更早的转账，以此类推，直到“创世交易”。

理论上，只要“创世交易”不变，当前每个人未被花费余额就是确定的。

创世交易不变，加上交易记录分布式存储，使得任何人无法篡改交易记录。

比特币生态

能源消耗与“下议院悲剧”

事实上，比特币为了保证系统一致性，牺牲了可用性，并引出一系列问题。

首先，比特币不是有效率的。

一方面，受到大小的限制，每个“块”包含4000条交易数据，按10分钟的生成时间换算，相当于每秒处理6.67条交易，以至比特币的全网未确认交易数一度达12134笔，这对货币来说是不合格的。

另一方面，工作量证明机制消耗大量无谓资源。每次打包成块时，所有节点分别计算哈希难题，而最终有资格记账权的节点却是唯一的。其余节点所做工作皆是浪费。

此外，为了有更大概率获得记账权，人们发明了专门的矿机来提高算力。而矿机在计算哈希难题过程中，消耗大量电力。据统计，目前全球比特币矿场年耗电量，超过捷克等全球159个国家。

其次，比特币或许不是可持续的，独特的发行机制或许会让比特币陷入“下议院悲剧”。

由于中本聪规定，每产出21万个区块，新比特币奖励减半。到2140年，比特币全部被挖出时，矿工奖励仅剩用户转账手续费。

同时，别忘了“块”的大小是有限制的，所以手续费数量是一定的。

于是，在未来某一时刻，当矿工记账获得的比特币奖励，与矿机硬件、电力地租等成本持平时，大量矿工将退出比特币系统，算力集中在少数人手里。

他们可以凭借已掌握的算力，在之前的区块上，延伸出新的“最长链”，从而将另一条链作废，从而将自己已经支付的币取回。这会对比特币系统造成毁灭性打击。

算力攻击

事实上，比特币社区早已认识到问题的存在，近年来他们讨论过扩大“块”的容量，或者引入隔离见证、闪电网络等方案，提高每秒可处理的交易数（TPS）。他们甚至还讨论过是否扩大发行总量。但始终没有达成一致。

好消息是，尽管比特币支付还不像法币一样方便，但美国、日本、德国、加拿大、白俄罗斯、瑞士等国家已接受比特币支付，并在一定法律范围内，承认其合法地位，部分国家还设置了比特币ATM机。

本质上，作为一种货币，比特币正向着初衷迈进。相比之下，以太坊需要解决的问题，就要复杂很多了。

区块链能干嘛？

比特币诞生后，人们发现共识机制可以提供全新协作方式。

比如，游戏开发者可以将游戏内交易的部分，接入区块链软件开发工具包（SDK），这部分的数据将跟随区块链本身交易数据，一起被矿工打包确认。

这种做法对游戏开发者来说，可以节省相应储存、计算成本。而对于玩家们来说，他们的交易记录无法被任何人篡改，从而不会出错。

再比如，A公司向B公司购买价值10万元商品，双方签了合同，由C公司做证明人担保，约定1个月后付款。合同信息由矿工打包进区块链，无法被篡改。

B公司交付商品，C公司确认合格，双方在支付账户内同时签名，使区块链内的合同生效。1个月后，A公司账户会自动向B公司付款，无需人工干预。

事实上，区块链项目“超级账本”（hyperledger）正在积极实践第二个例子所说的事情。目前，参与这一项目的公司，已经达200余家，包括荷兰银行、巴黎银行、华为、三星、IBM等企业。

可以看出，当矿工打包确认的不仅仅是交易记录，而是更广阔的数据时，区块链使用范围也会随之扩大，其功能跟云计算、支付宝等常见应用类似。

而由于区块链具备不可随意篡改、自动执行合约的特性，使得沟通、信任、执行等成本大幅降低，在部分场景中受到企业青睐。

但现阶段，区块链技术想做到大规模应用，还得解决诸多问题，其中效率和可持续，尤为关键。

所以，相比于比特币，以太坊更关注可用性。

为此，他们正尝试将共识机制由工作量证明（Proof of Work，简写为POW）转换成权益证明（Proof Of Stake，简写为POS）。

并基于权益证明，开发以太坊独有的Casper共识机制，提高交易处理速度等，着重解决效率和可持续问题。

该计划将分为两个阶段实现，第一个阶段名为Casper FFG，第二个阶段名为Casper CBC。 

以太坊生态

权益证明机制POS

本质上，以太坊也是一种“钱”，其产生过程同样来自于矿工记账奖励。

只是，以太坊矿工除了记录交易信息，还记录游戏、金融领域的一些数据，这一载体被称为“智能合约”。

所以，在解决效率和可持续问题之前，以太坊也需要做到结果一致、不可篡改。

那么，股权证明共识机制是如何运转的呢？

当用户间发生转账，以太坊节点客户端，会收到信息。

 同时，所有参与者（节点，或称验证人）客户端会根据代码，审核信息是否属实，并自动打包成“块”。然后客户端会对这些“块”进行投票。

得票最高的“块”胜出，组成“链”，并同步至全网以太坊节点。此时，转账信息被判定为有效。

胜出“块”的支持者们将获得以太坊币奖励，并开始新一轮投票。

其中，投票权重由客户端里以太坊币的多少决定。客户端持有的以太坊币越多，投票权重越高，获得奖励概率越大。

这个过程被称作权益证明（POS）。

在权益证明共识中，得票最高的“块”通常是唯一的，且结果会被广播是全网，这保证了全网交易记录的一致性。

更重要的是，在权益证明机制产生区块链的过程中，不需要使用机器计算“哈希难题”，使得其每秒可处理的交易次数大幅提升，并且节省了机器所需的电费、地租等成本。

以太坊权益证明Casper

今年5月，FFG阶段第一个代码版本已正式发布，旨在将以太坊工作量证明转变为权益证明。

在Casper FFG阶段，以太坊每50个区块中，会有1个由权益证明产生。

在未来Casper CBC中，以太坊共识机制将全面转为权益证明，并在此基础上，做两方面升级：加入保证金制度，上线分片技术。

保证金制度是为增强安全性而设立的。Casper规定，节点需提交以太坊币作为保证金，一旦其想作弊，比如在为全部“块”进行投票，或者试图对网络发起攻击，则他们的保证金将全部被没收。

而分片技术，是为了进一步提升系统处理交易的速度。分片技术指的是，先将节点分组，再将完整的交易数据分片，随机放到不同组内验证，最终结果打包成“块”，组成“链”。

分片技术就像写书一样。首先，系统将“写作主题”，也就是一定时间内的交易信息，梳理出“章节目录”；然后，随机将不同章节的写作任务，分配给不同的小组。大家分头写完后，再组合成“书”。

理论上，参与验证的节点是无限多的，分组也会无限多，所以，以太坊处理交易速度是无限快的。

从目前的进度来看，以太坊有望在明年年底前，完成Casper CBC上线。

同时，随着子母链（Plasma）、账户分离概念（account abstraction）以及无状态客户端(statelessclients)等功能上线，以太坊网路建设将全部完成。

 网传V神个人以太坊地址

V神的“骄傲”

Casper共识对于以太坊意味着什么？从其创始人V神（Vitalik Buterin，以太坊创始人）的言论中，可以看出端倪。

在他个人推特中，置顶内容是，提醒大家防范假冒以太坊的骗子。

此外，他还说过数字货币随时可能归零，以及劝赚钱的项目方不要炫富。

在接受“王峰十问”采访时，V神表示，以太坊已经不再那么依赖比特币了，并且他还认为交易所都应该下地狱。

将这些言论概括起来，V神表达的意思是，希望以太坊可以独立活下去，不受比特币和币圈其他因素影响。Casper是这一切的开始。

权益证明不仅使以太坊从根本的共识机制上，区别于比特币，更重要的是，它是有效率的，这使得以太坊币这一数字资产，有了锚定实体产业应用的可能性，让其嵌入实体经济运行当中。

当以太坊币有了实体资产负债做发行背书，其与法定货币已经没有本质差别了。

而权益证明使得节点想参与记账前，需买入大量以太坊币，并锁定。客观上，锁仓会使以太坊币价格达到新高度。

若以太坊币价借此超越比特币，或将彻底摆脱比特币“阴影”，其价格不受比特币涨跌影响。

目前，Casper CBC的细节仍在讨论中，整个网络预计将于2019年部署完毕。经历过The DAO黑客事件的V神，明显比之前谨慎了很多。

他一手缔造了币圈的繁荣，这是他的“骄傲”，他不想让自己的“骄傲”轻易死去。