区块链共识机制技术⼀——POW（⼯作量证明）共识机制
什么是共识机制
所谓“共识机制”，是通过特殊节点的投票，在很短的时间内完成对交易的验证和确认；对⼀笔交易，如果利益不相⼲的若⼲个节点能够达成共识，我们就可以认为全⽹对此也能够达成共识。
区块链作为⼀个去中⼼化的分布式账本系统，然⽽在实际运⾏中，怎么解决因为去中⼼化后，保证整个系统能有效运⾏，各个节点诚实记账，在没有所谓的中⼼的情况下，互相不信任的个体之间就交易的合法性达成共识的共识机制。
共识机制的⽬标
区块链作为⼀种按时间顺序存储数据的数据结构，可⽀持不同的共识机制。共识机制是区块链技术的重要组件。区块链共识机制的⽬标是使所有的诚实节点保存⼀致的区块链视图，同时满⾜两个性质：
1）⼀致性。所有诚实节点保存的区块链的前缀部分完全相同。
2）有效性。由某诚实节点发布的信息终将被其他所有诚实节点记录在⾃⼰的区块链中。
为什么需要共识机制?
在分布式系统中，各个不同的主机通过异步通信⽅式组成⽹络集。为了保证每个主机达成⼀致的状态共识，就需要在主机之间进⾏状态复制。异步系统中，可能会出现各样的问题，例如主机出现故障⽆法通信，或者新能下降，⽽⽹络也可能发⽣拥堵延迟，类似的种种故障有可能会发⽣错误信息在系统内传播。因此需要在默认不可靠的异步⽹络中定义容错协议，以确保各主机达成安全可靠的状态共识。所以，利⽤区块链构造基于互联⽹的去中⼼化账本，需要解决的⾸要问题是如何实现不同账本节点上的账本数据的⼀致性和正确性。
这就需要借鉴已有的在分布式系统中实现状态共识的算法，确定⽹络中选择记账节点的机制，以及如何保障账本数据在全⽹中形成正确、⼀致的共识。
如何评价⼀个共识机制的优劣:
1. 安全性：能否有效防⽌⼆次⽀付，私⾃挖矿
2. 扩展性：当系统成员和待确认交易数量增加时，所带来的系统负载和⽹络通信量的变化，通常以⽹络吞吐量来衡量
3. 性能效率：每秒可以处理的交易数量
4. 资源消耗：达成共识过程中，所要消耗的CPU、内存等计算资源
区块链分类
在开始进⾏共识机制梳理前，⾸先需要对⽬前的区块链进⾏⼀个简单的了解。⽬前市⾯上根据共识算法及应⽤场景把区块链分为三类：公有链、联盟链和私有链。
公有链，是⼀个完全开放的分布式系统。公有链中的节点可以很⾃由的加⼊或者退出，不需要严格的验证和审核，⽐如⽐特币、以太坊、EOS等。共识机制在公有链中不仅需要考虑⽹络中存在故障节点，还需要考虑作恶节点，并确保最终⼀致性。
联盟链，是⼀个相对开放的分布式系统。对于联盟链，每个新加⼊的节点都是需要验证和审核的，⽐如Fabric、BCOS等。联盟链⼀般应⽤于企业之间，对安全和数据的⼀致性要求较⾼，所以共识机制在联盟链中不仅需要考虑⽹络中存在故障节点，还需要考虑作恶节点，同时除过确保最终⼀致性外，还需要确保强⼀致性。
私有链，是⼀个封闭的分布式系统。由于私有链是⼀个内部系统，所以不需要考虑新节点的加⼊和退出，也不需要考虑作恶节点。私有链的共识算法还是传统分布式系统⾥的共识算法，⽐如zookeeper的zab协议，就是类paxos算法的⼀种。只考虑因为系统或者⽹络原因导致的故障节点，数据⼀致性要求根据系统的要求⽽定。
共识机制有哪些？
常见的共识就机制包括：POW（⼯作量证明机制）、POS（权益证明机制）、POW+POS（混合共识机制）、DPOS（股份授权证明）等等，另外还有Pool验证池、Ripple瑞波共识协议、PBFT（使⽤拜占庭容错算法）等等。今天先介绍POW共识机制。
POW⼯作量证明共识机制
⼀、前⾔
医药品牌PoW(Proof of Work)，即⼯作量证明，闻名于⽐特币，俗称"挖矿”。PoW是指系统为达到某⼀⽬标⽽设置的度量⽅法。简单理解就是⼀份证明，⽤来确认你做过⼀定量的⼯作。监测⼯作的整个过程通常是极为低效的，⽽通过对⼯作的结果进⾏认证来证明完成了相应的⼯作量，则是⼀种⾮常⾼效的⽅式。PoW是按劳分配，算⼒决定⼀起，谁的算⼒多谁记账的概率就越⼤，可理解为⼒量型⽐较。以下内容基于⽐特币的PoW机制。
⼯作量证明（PoW）通过计算⼀个数值( nonce )，使得拼揍上交易数据后内容的Hash值满⾜规定的上限。在节点成功到满⾜的Hash值之后，会马上对全⽹进⾏⼴播打包区块，⽹络的节点收到⼴播打包区块，会⽴刻对其进⾏验证。
excel打开很慢如何才能创建⼀个新区块呢？通过解决⼀个问题：即到⼀个nonce值，使得新区块头的哈希值⼩于某个指定的值，即区块头结构中的“难度⽬标”。
如果验证通过，则表明已经有节点成功解迷，⾃⼰就不再竞争当前区块打包，⽽是选择接受这个区块，记录到⾃⼰的账本中，然后进⾏下⼀个区块的竞争猜谜。⽹络中只有最快解谜的区块，才会添加的账本中，其他的节点进⾏复制，这样就保证了整个账本的唯⼀性。
假如节点有任何的作弊⾏为，都会导致⽹络的节点验证不通过，直接丢弃其打包的区块，这个区块就⽆法记录到总账本中，作弊的节点耗费的成本就⽩费了，因此在巨⼤的挖矿成本下，也使得矿⼯⾃觉⾃愿的遵守⽐特币系统的共识协议，也就确保了整个系统的安全。
在了解pow共识机制前，我们先了解下⽐特币区块的结构，下图是⽐特币区块的结构图：
从图上可知，⽐特币的结构分为区块头和区块体，其中区块头细分为：
⽗区块头哈希值：前⼀区块的哈希值，使⽤SHA256(SHA256(⽗区块头))计算。占32字节
版本：区块版本号，表⽰本区块遵守的验证规则。占4字节
时间戳：该区块产⽣的近似时间，精确到秒的UNIX时间戳，必须严格⼤于前11个区块时间的中值，同时全节点也会拒绝那些超出⾃⼰2个⼩时时间戳的区块。占4字节
难度：该区块⼯作量证明算法的难度⽬标，已经使⽤特定算法编码。占4字节
随机数(Nonce)：为了到满⾜难度⽬标所设定的随机数，为了解决32位随机数在算⼒飞升的情况下不够⽤的问题，规定时间戳和coinbase交易信息均可更改，以此扩展nonce的位数。占4字节
Merkle根：该区块中交易的Merkle树根的哈希值，同样采⽤SHA256(SHA256())计算。占32字节
如此，细⼼的同学会发现，区块头总共占了80字节。
区块体除了筹币交易记录（由⼀棵Merkle⼆叉树组成)外，还有⼀个交易计数。
⽐特币的任何⼀个节点，想⽣成⼀个新的区块，必须使⽤⾃⼰节点拥有的算⼒解算出pow问题。因此，我们先了解下pow⼯作量证明的三要素。
⼆、POW⼯作量证明的三要素
⼯作机制
为了使区块链交易数据记录在区块链上并在⼀定时间内达到⼀致（共识），PoW提供了⼀种思路，即所有区块链的⽹络节点参与者进⾏竞争记账，所谓竞争记账是指，如果想⽣成⼀个新的区块并写⼊区
块链，必须解出⽐特币⽹络出的⼯作量证明谜题，谁先解出答案，谁就获得记账权利，然后开始记账并将将解出的答案和交易记录⼴播给其他节点进⾏验证，⾃⼰则开始下⼀轮挖矿。如果区块的交易被其他节点参与者验证有效并且谜题的答案正确，就意味着这个答案是可信的，新的节点将被写⼊验证者的节点区块链，同时验证者进⼊下⼀轮的竞争挖矿。
这道题关键的三个要素是⼯作量证明函数、区块及难度值。⼯作量证明函数是这道题的计算⽅法，区块决定了这道题的输⼊数据，难度值决定了这道题的所需要的计算量。
1、⼯作量证明函数
在⽐特币中使⽤的是SHA256算法函数，是密码哈希函数家族中输出值为256位的哈希算法。
2、 区块
区块头在前⾔中已经做详细介绍，这⾥我们就介绍下区块体的 Merkle树算法：
如上图所⽰，⾸先对4个交易记录L1–L4，分别计算hash(L1)–hash(L4)，然后计算hash0=hash0-0+hash0-1和hash1=hash1-
0+hash1-1，最后计算出根节点的hash值top hash。
3、难度值
关于难度值，我们直接看公式：
新难度值=旧难度值*（过去2016个区块花费时长/20160分钟）
tips：难度值是随⽹络变动的，⽬的是为了在不同的⽹络环境下，确保每10分钟能⽣成⼀个块。
新难度值解析：撇开旧难度值，按⽐特币理想情况每10分钟出块的速度，过去2016个块的总花费接近20160分钟，这样，这个值永远趋近于1。
⽬标值=最⼤⽬标值/难度值
⽬标值解析：最⼤⽬标值为⼀个固定数，若过去2016个区块花费时长少于20160分，那么这个系数会⼩，⽬标值将会被调⼤些，反之，⽬标值会被调⼩，因此，⽐特币的难度和出块速度将成反⽐例适当调整出块速度。
那如何计算呢？SHA256(SHA256(Block_Header))，即只需要对区块头进⾏两次SHA256运算即可，得到的值和⽬标值进⾏⽐较，⼩于⽬标值即可。
区块头中有⼀个重要的东西叫MerkleRoot的hash值。这个东西的意义在于：为了使区块头能体现区块所包含的所有交易，在区块的构造过程中，需要将该区块要包含的交易列表，通过Merkle Tree算法⽣成Merkle Root Hash，并以此作为交易列表的摘要存到区块头中。
⾄此，我们发现区块头中除过nonce以外，其余的数据都是明确的，解题的核⼼就在于不停的调整nonce的值，对区块头进⾏双重
SHA256运算。
麦佳扮演者介绍完pow⼯作量证明的三要素后，我们就可以讲解下⼯作量证明的流程。
三、POW⼯作量证明流程
从流程图中看出，pow⼯作量证明的流程主要经历三步：
1.⽣成Merkle根哈希
⽣成Merkle根哈希在第⼆章节中的第2要素中已经有讲解，即节点⾃⼰⽣成⼀笔筹币交易，并且与其
他所有即将打包的交易通过Merkle树算法⽣成Merkle根哈希，所以为什么说区块是⼯作量证明的三要素之⼀。
2.组装区块头
区块头将被作为计算出⼯作量证明输出的⼀个输⼊参数，因此第⼀步计算出来的Merkle根哈希和区块头的其他组成部分组装成区块头，这也就是为什么我们在前⾔中⼤费周章的去提前讲解⽐特币的区块头。
3.计算出⼯作量证明的输出
下⾯我们直接通过公式和⼀些伪代码去理解⼯作量证明的输出：
i. ⼯作量证明的输出=SHA256(SHA256(区块头))
ii. if（⼯作量证明的输出<⽬标值），证明⼯作量完成
iii.if（⼯作量证明的输出>=⽬标值），变更随机数，递归i的逻辑，继续与⽬标值⽐对。
注：⽬标值的计算见第⼆章节的要素3的难度值。
上⾯的流程图及解析即pow⼯作量证明的整个过程。
四、POW共识记账
前⾯三部分中讲解的是单节点⼯作量证明流程，有了这个计算流程，我们就得将其使⽤起来，在⽐特币平台中，中本聪就是运⽤的pow⼯作量证明来使全⽹节点达到51%及以上的共识记账，以下将介绍pow⼯作量证明共识是如何记账的？
⾸先，客户端产⽣新的交易，向全⽹⼴播
第⼆，每个节点收到请求，将交易纳⼊区块中
第三，每个节点通过第三章中描述的pow⼯作量证明
第四，当某个节点到了证明，向全⽹⼴播
第五，当且仅当该区块的交易是有效的且在之前中未存在的，其他节点才认同该区块的有效性
第六，接受该区块且在该区块的末尾制造新的区块
⼤概时序图如下：
五、POW的优缺点
通过上⾯的描述，PoW优点很明显：
1. 完全去中⼼化（任何⼈都可以加⼊）；
新安县属于哪个市2. 节点⾃由进出，容易实现；
3. 破坏系统花费的成本巨⼤；天宫水西寺
关于破坏系统成本巨⼤可以分两层意思理解：
1. 在指定时间内，给定⼀个难度，到答案的概率唯⼀地由所有参与者能够迭代哈希的速度决定。与之前的历史⽆关，与数据⽆关，只
跟算⼒有关。
2. 掌握51%的算⼒对系统进⾏攻击所付出的代价远远⼤于作为⼀个系统的维护者和诚实参与者所得到的。
缺点也相当明显：
1. 对节点的性能⽹络环境要求⾼；
2. 浪费资源；
3. 每秒钟最多只能做七笔交易，效率低下；
4. 矿场的出现违背了去中⼼的初衷；
5. 不能确保最终⼀致性；
镀膜是什么6. ⽐特币产量每4年减半，利益驱动性降低导致旷⼯数量减少从⽽导致⽐特币⽹络瘫痪。
六、⽹络攻击和链分叉
1）⽹络攻击
假定⼀个恶意节点试图双花之前的已花费的交易，攻击者需要重做包含这个交易的区块，以及这个区块之后的所有的区块，创建⼀个⽐⽬前诚实区块链更长的区块链。只有⽹络中的⼤多数节点都转向攻击者创建的区块链，攻击者的攻击才算成功了。由于每⼀个区块都包含了之前的所有区块的交易信息，
所以随着块⾼的增加，之前的区块都会被再次确认⼀次，确认超过6次，可以理解为⽆法被修改。
考虑交易T包含在区块b1中。每个后续区块b2，b3，b4，……bn会降低交易T被修改的可能性，因为修改这些后续的区块需要更多的算⼒。中本聪⽤概率理论证明，六个区块后攻击者追赶上最长链的可能性降低到0.0002428%。在过4个或更多区块后这个可能⾏会降到0.0000012%。每新增⼀个区块bn，攻击的可能性就会以指数形式下降，很快整个攻击的可能性就会低到可以忽略的程度。
2）链分叉
所谓的链分叉，主要是由于在计算hash时，每个⼈拿到的区块内容是不同的，导致算出的区块结果也不同，但都是正确结果，于是，区块链在这个时刻，出现了两个都满⾜要求的不同区块，那旷⼯怎么办呢？由于距离远近、⽹络等原因，不同旷⼯看到这两个区块的先后顺序是不⼀样的，通常情况下，旷⼯会把⾃⼰先看到的区块链复制过来，然后接着在这个区块上开始新的挖矿⼯作，于是就出现了链分叉。
PoW解决⽅案：
从分叉的区块起，由于不同的矿⼯跟从了不同的区块，在分叉出来的两条不同链上，算⼒是有差别的。由于解题能⼒和矿⼯的算⼒成正⽐，因此两条链的增长速度也是不⼀样的，在⼀段时间之后，总
有⼀条链的长度要超过另⼀条。当矿⼯发现全⽹有⼀条更长的链时，他就会抛弃他当前的链，把新的更长的链全部复制回来，在这条链的基础上继续挖矿。所有矿⼯都这样操作，这条链就成为了主链，分叉出来被抛弃掉的链就消失了。
能够让区块链保证唯⼀性的前提是：所有矿⼯都遵从同样的机制。当旷⼯遵从不同的机制时，就会出现硬分叉，这种分叉会导致资产增加，且两条链同时存在，⽐如BBC。
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