淺談區塊鏈的分散式系統和共識機制
區塊鏈（Blockchain）是比特幣的一個重要概念，它本身是一種新型的分散式系統，並且極大的促進了分散式計算領域的發展。瞭解分散式系統的工作原理，瞭解共識機制如何使人們在分散的網路上達成共識，我們才能真正瞭解區塊鏈技術的創新和未來發展的方向。
一、什麼是分散式系統？
分散式系統是一種通過網路進行通訊使用多臺伺服器來協同完成計算任務的系統，是一種提高業務承載量的基本手段，通過利用更多的伺服器，來解決單個伺服器無法同時承載大量的使用者使用的問題。
二、分散式系統的優勢和麵臨的挑戰
分散式系統的優勢
與集中式系統相比，分散式系統有4個方面的優勢：
1.價效比更高
隨著技術的發展，小型CPU越來越廉價，這使得分散式系統使用多個廉價CPU的方式比使用單個大型CPU價效比更高。
2.總計算能力更強
單個CPU的效能目前還是有一定極限的，但使用分散式系統我們則能夠獲得比單個CPU更強的總計算能力。
3.固有的分佈性
有一些應用本身就是具有分佈性的，所以需要分散式系統來滿足需求。
4.系統更可靠
單一CPU一旦故障就會100%停機，但分散式系統有一臺機器故障其他機器並不受影響，因而分散式系統更為可靠。
儘管分散式系統有諸多優點，但也面臨著諸多的挑戰：
1. 異構的機器與網路難以協調
分散式系統中的機器，有可能配置不同，其上執行的語言，架構也不相同，因此各節點處理能力不一，同時由於各節點通過網路連線，不同運營商的網路情況也不一樣，導致如何協調眾多機器共同完成目標成為不小的挑戰。
2. 獨立程序故障
在現實中，每個程序都有一定的概率發生故障，雖然單一程序的故障概率較低，但分散式系統由於節點數目較多，故障概率就隨著節點的增多而變高了。
因此分散式系統需要挑戰如何監控每一個節點，保障故障時將該節點的任務轉移，從而避免獨立程序故障對整個系統的影響。
3. 不可靠的網路
在分散式計算機系統中，時間和事件順序是一大障礙。
不同節點通過網路連線，但網路並不可靠，我們無法確定網路是否會有延時，亂序等問題，而這些問題很大程度會影響最終的結果。
總的來說，分散式系統的挑戰來自於各種不確定因素，流程和節點的增加導致了不確定性概率的增加，如何保證在諸多的不確定下系統還能正常運作是分散式系統必須要解決的問題。
三、分散式系統中的共識問題
為了保障分散式系統的不同節點能夠得到統一，我們需要引入共識機制。
所謂“共識機制”，是通過特殊節點的投票，在很短的時間內完成對交易的驗證和確認；對一筆交易，如果利益不相干的若干個節點能夠達成共識，我們就可以認為全網對此也能夠達成共識，也就是說，處於不同情況下的各個節點能夠得到統一。
四、常見的共識機制
共識機制是區塊鏈技術的重要元件，區塊鏈技術正是運用一套基於共識的數學演算法，在機器之間建立“信任”網路，從而通過技術背書而非中心化信用機構來進行全新的信用創造。
現今區塊鏈的共識機制可分為三大類：工作量證明機制、權益證明機制、股份授權證明機制。
工作量證明機制PoW(Proof of Work)：
工作量證明機制即對於工作量的證明，在基於工作量證明機制構建的區塊鏈網路中，節點通過計算隨機雜湊雜湊的數值解爭奪記賬權，求得正確的數值解以生成區塊的能力是節點算力的具體表現。就像“按勞取酬”，你提供了多少算力，就能夠獲得多少回報。
PoW的優勢：
具有完全去中心化的優點，理論上實現了相對公平，每個節點自由進出，都有做出貢獻和獲得回報的機會，同時破壞系統需要付出極大的成本。
PoW的不足：
基於工作量證明機制的挖礦行為造成了大量的資源浪費，目前達成共識所需要的週期也較長，不適合商業應用。
同時由於市場的趨利性，為了獲取更多收益，人們開始建立中心化的礦池礦場，背離了去中心化的初衷，網路安全也逐漸受到威脅。
權益證明機制PoS(Proof of Stake):
與要求證明人執行一定量的計算工作不同，權益證明要求證明人提供一定數量Token的所有權即可。權益證明機制的運作方式是，當創造一個新區塊時，礦工需要建立一個“幣權”交易，交易會按照預先設定的比例把一些Token傳送給礦工本身。
也就是，你的挖礦收益，取決於你Token的多少與持有的時間，你持有的越多你的收益就越大。
PoS的優勢：
相對於PoW更加節能，不需要耗費大量能源去挖礦。
PoS根據每個節點擁有Token的比例和時間，依據演算法等比例地降低節點的挖礦難度，從而加快了尋找隨機數的速度，能在一定程度上縮減達成共識的時間。
同時和PoW一樣，破壞系統的成本較高。
PoS的不足：
PoS模式下，Token只能通過融資方式發行，無法保障持有者不因受利益誘惑而拋售，同時這種模式的信用基礎不夠牢固，也並沒有從根本上解決難以應用於商業領域的問題。
股份授權證明機制DPoS（Delegated Proof of Stake）：
股份授權證明機制是一種新的保障網路安全的共識機制。與董事會投票類似，該機制擁有一個內建的實時股權人投票系統，全體節點投票選舉出一定數量的節點代表，由他們來代理全體節點確認區塊、維持系統有序執行。同時，區塊鏈中的全體節點具有隨時罷免和任命代表的權力。
DpoS的優勢：
大大縮減了參與驗證記賬的節點數量，能耗更低，同時極大的縮短了共識驗證需要的時間。
同時由全體節點投票選擇節點代表的機制理論上比PoW,PoS更加去中心化，不容易被操縱。
DPoS的不足：
DpoS理論上更加去中心化，但由於大部分節點因為種種原因投票積極性不高或不便投票，共識掌握在少數的節點代表手中，對於一些節點代表作惡的行為也不能夠及時的響應，有較大的安全隱患。
結合以上內容我們可以發現，目前的共識機制都不是完美的，在應用場景上都有一定的限制。
融數鏈認為：區塊鏈共識機制，仍在不斷地發展進化當中，現在的我們需要結合實際的應用場景來選擇適合的共識演算法，並且根據實際的需要進行改進，逐步解決區塊鏈難以運用於商業領域的問題。
（作者：融數鏈，內容來自鏈得得內容開放平臺“得得號”；本文僅代表作者觀點，不代表鏈得得官方立場）