囚徒戈多第4篇文章，閱讀需要5分鐘
這或許是全網解釋區塊鏈的價值核心--共識機制最詳細的文章。
前言
區塊鏈起源於比特幣，發展於以太坊。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。
而對區塊鏈專案來說，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係統中進行協作。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，充滿暴戾與醜聞的事物。
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，是比特幣區別於“鬱金香”、“密西西比”等泡沫事件最本質的不同。
另一方面，比特幣共識並不完美。由於中本聰的原意是創造一種“錢”，所以在CAP原則（指的是在一個分散式系統中，一致性Consistency、可用性Availability、分割槽容錯性Partition tolerance，三者不可得兼）框架下，他選擇了一致性和分割槽容錯性，弱化了可用性，使比特幣共識在擴充套件應用時，遇到了難題。
CAP原則，文字內容來源於百度百科
基於此，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。
以太坊社群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，並將此計劃命名為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，並且一旦發行，任何人都無法操控的貨幣。這樣就避免了有人因一己私利，透過控制貨幣發行量，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，並利用動態函式，規定每10分鐘產出一定數量。這2100萬個幣，將於2140年全部流通於世。
其次，比特幣交易記錄不受任何資料中心控制，而是利用點對點技術（P2P），讓使用者之間直接轉賬，過程就像用微信互傳檔案一樣。
為了維護系統正常執行，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）。幹活的人得到了獎勵，這樣便有人心甘情願的為系統付出了。
為了不出差錯，中本聰需要採取一套執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。貨幣系統可一直執行下去。
而用以保證系統正常執行的規則，便是共識機制。
比特幣共識機制是如何運轉的呢？
當用戶A給使用者B轉賬時，節點（包括AB自己）的比特幣客戶端，會收到這一資訊。
同時，所有參與者會在客戶端內，利用計算裝置（礦機）每隔10分鐘計算一道“雜湊難題”。這道難題出現時間及難度，受動態函式控制，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，將根據程式碼審查交易資訊是否屬實，將包括AB使用者在內、一定時間段內的轉賬資訊，打包在一起確認（打包成“塊”），並將當前的“塊”，連線到此前的“塊”上，生成“區塊鏈”，並同步（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，並開始新一輪的雜湊難題計算。
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，並打包區塊，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“未被花費的餘額”（UTXO）。比如，檢查A是否有未被花費的餘額，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餘額就是確定的。
創世交易不變，加上交易記錄分散式儲存，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，並引出一系列問題。
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條交易資料，按10分鐘的生成時間換算，相當於每秒處理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，所有節點分別計算雜湊難題，而最終有資格記賬權的節點卻是唯一的。其餘節點所做工作皆是浪費。
此外，為了有更大機率獲得記賬權，人們發明了專門的礦機來提高算力。而礦機在計算雜湊難題過程中，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”。
由於中本聰規定，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，礦工獎勵僅剩使用者轉賬手續費。
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。
於是，在未來某一時刻，當礦工記賬獲得的比特幣獎勵，與礦機硬體、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裡。
他們可以憑藉已掌握的算力，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，比特幣社群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、閃電網路等方案，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。
好訊息是，儘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，並在一定法律範圍內，承認其合法地位，部分國家還設定了比特幣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，就要複雜很多了。
拓展閱讀：
Bitcoin： A Peer-to-Peer Electronic Cash System
https：//bitcoincore。org/bitcoin。pdf
Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
https：//github。com/ethereum/wiki/wiki/White-Paper
Ethereum Casper 101
https：//medium。com/@jonchoi/ethereum-casper-101-7a851a4f1eb0
A Proof of Stake Design Philosophy
https：//medium。com/@VitalikButerin/a-proof-of-stake-design-philosophy-506585978d51
Proof of Stake FAQs
https：//github。com/ethereum/wiki/wiki/Proof-of-Stake-FAQs
Casper Proof of Stake compendium
https：//github。com/ethereum/wiki/wiki/Casper-Proof-of-Stake-compendium
Proof of Stake： How I Learned to Love Weak Subjectivity
https：//blog。ethereum。org/2014/11/25/proof-stake-learned-love-weak-subjectivity/
Critique of Buterin’s “A Proof of Stake Design Philosophy”
https：//medium。com/@tuurdemeester/critique-of-buterins-a-proof-of-stake-design-philosophy-49fc9ebb36c6
Cryptocurrencies without Proof of Work
https：//arxiv。org/pdf/1406。5694。pdf
casper_basics。pdf
https：//github。com/ethereum/research/blob/master/papers/casper-basics/casper_basics。pdf
The Triangle of Harm
https：//vitalik。ca/general/2017/07/16/triangle_of_harm。html
Casper Proof of Stake compendium
https：//github。com/ethereum/wiki/wiki/Casper-Proof-of-Stake-compendium
slasher
https：//blog。ethereum。org/2014/01/15/slasher-a-punitive-proof-of-stake-algorithm/
The History of Casper — Chapter1
https：//blog。ethereum。org/2016/12/06/history-casper-chapter-1/
The History of Casper — Chapter2
https：//blog。ethereum。org/2016/12/07/history-casper-chapter-2/
The History of Casper — Chapter3
https：//medium。com/@Vlad_Zamfir/the-history-of-casper-chapter-3-70fefb1182fc
The History of Casper — Chapter4
https：//medium。com/@Vlad_Zamfir/the-history-of-casper-chapter-4-3855638b5f0e
The History of Casper — Chapter 5
https：//medium。com/@Vlad_Zamfir/the-history-of-casper-chapter-5-8652959cef58
