区块链的三种共识机制——PoW、PoS和DPoS原理

区块链的核心是去中心化网络的信任机制，而共识机制是实现这一目标的关键。共识机制可分为两个阶段：（1）提出共识内容（2）对内容达成共识（遵循最长链原则）。三种主流的共识机制主要有工作量证明PoW（Proof of Work），权益证明PoS（Proof of Stake），委托权益证明机制DPoS（Delegate Proof of Work），除了了解其基本内容，还需要学习其技术实现。

一、工作量证明（PoW）

PoW这个概念是1993年提出的，最早的用途不是用来实现加密货币的，而是用来防止垃圾邮件的。人们开始在使用电子邮件的时候会收到垃圾邮件的骚扰，如果发送垃圾邮件没有成本，那么发送一百万封电子邮件是很轻松的。所以人们想到了如果让每一封邮件发送时都有一个微小的成本，那么鉴于成本，垃圾邮件就会被很大程度遏制了。而PoW就是为了服务这个目的而产生的。基本过程就是邮件接收方先广播一道题出去，邮件发送方在发邮件时必须附带上这道题的答案，这样邮件才会被接受，否则就会被认为是垃圾邮件。

同理我们引入PoW机制下的哈希函数，实际上就是如何用哈希函数给计算机出题，由于计算机的解题速度很快，因此出的题目对于计算机“有挑战性”，我们知道哈希函数最大的特点是如果输入的数据哪怕有微小的区别，输出的结果也会完全不同，这点保证了无法通过输出结果去反向运算输入，也没有办法缩小输入的可能性范围，另一方面，如果输入相同则运算得到的输出哈希一定相同。这一点保证了任何人都可以在一瞬间内验证最终的哈希值是否正确。

比特币系统的一个众所周知的特点，就是很多矿工参与挖矿，但是每十分钟网络上产生的比特币却不是所有矿工均分的，而是谁先抢到记账权，就把所有的比特币奖励给谁。记账权的抢夺就是计算能力的比拼。比特币的PoW机制，宏观上就是要达成的就是判定哪个矿工的运算能力最强。这道题用到了哈希函数，但是系统要的答题结果也就是所谓的PoW，不是哈希函数的输出，而是输入。

为什么会这样设置呢？因为从输入计算哈希输出，是一个非常直白的过程，计算机很擅长这样的工作，不能明显地体现出矿工之间计算能力的差异，而且系统必须要给全网广播一个超级大的数，这样才能比拼计算能力，涉及到网速等延迟问题，也不是很公平。所以比特币系统的做法是反过来，给全网广播一个哈希值，让大家消耗自身算力尝试不同的随机数（nonce）找到它的输入。因为前面提到的哈希函数独特的特点，矿工们要想找到输入，只能每次选一个数不断尝试瞎蒙，运算它的输出和系统广播的哈希值对比，如果不符合，换下一个数继续，这显然是一个概率问题，在相同的时间内谁能尝试的次数多，大概率他会首先拿到正确的输入，这就是PoW的基本原理了。

当然在实际中，比特币系统是每十分钟记账一次，也就是需要所有矿工每十分钟比一次，但是在十分钟内想计算出一个精确哈希值的输入是根本不可能的。所以系统每次给定的是一个哈希值范围。具体规则就是，只要保证运算出的哈希值小于某个特定的数值，就认为提交的PoW是正确的，也就是说矿工们要尽力找到哈希值前几位0越多越好（哈希值越小）对应的输入。多年来矿工们的算力也有了很大提高，但是为什么比特币系统还是能保证算出PoW的时间大致保证在十分钟左右呢？答案就是系统可以通过调整0的个数来改变出题难度，虽然矿工们算力提高了，但是题也变得更难，所以需要花费的解题时间就会保持相对稳定。最快得到结果的矿工会把把自己的结果发送到全网（提交新创建的区块），其他矿工都会验证结果是否符合有效，如果有效，则每个节点都在自己的区块链数据副本中添加这个有效区块，开始新处理新的交易数据，努力创建新区块。如果无效，则会被丢弃，矿工们继续做手头工作。

PoW共识的优点就是安全性高，随着有效区块的不断积累，恶意节点需要极高的算力（超过总体的51%）来完成双花攻击，成本高昂。也存在着消耗算力和电力大的缺点。

二、权益证明（PoS）

在PoW中通过消耗大量的算力来争夺记账权，但是在每一轮共识中，只有一个节点得到了记账权，其他节点的相当于是“陪跑”，算了被浪费了。而权益证明PoS于2013年首次提出被应用到了PeerCoin系统中，可以解决资源浪费的问题。

PoS 通过持有代币的数量和时间（即“权益”）决定记账权，​​权益越高，被选中验证交易的概率越大。

具体的技术实现是每个节点在每一轮共识中只需要计算一次Hash，当拥有的权益越多，满足Hash目标的机会越大，获得记账权的机会越大。可以说，PoS是一个资源节省的共识协议。PeerCoin定义的权益除了与代币数量有关，引入了币龄（Coin Age），100个代币持有两天，币龄为200，因此持有的代币数量越多，时间越长，获得记账权的机会越大。

PoS的优点是​​节能高效​​：无需大量计算，能耗降低99%以上；缺点就是存在​​“富人更富”问题​​：代币越多，收益越高，可能导致财富集中；
​​改进方案​​：以太坊2.0引入​​Casper协议​​，结合质押惩罚机制；Cardano采用分层PoS提升可扩展性。这里提到的一些前沿的技术先挖个坑，后面再补充。

三、委托权益证明机制（DPoS）

DPoS是由PoS演化而来的，持币用户通过抵押代币获得选票，以投票的方式选出若干的节点作为区块生产者，代表持币用户履行产生区块的义务。用户投票最多的若干节点成为出块节点，以EOX为代表是21个节点。在每一轮共识中，轮流选出一个出块节点产生区块，并广播给其他的出块节点进行验证。若节点在规定时间内无完成出块，或产生无效区块，就会被取消资格，取而代之的事重新投票选取新的出块节点。

值得一提的是，EOS初期的DPoS的共识方法才采用的是最长链共识，意味着与PoW一样区块没有绝对的最终性，交易的不可逆需要等待多个区块确认。在18年时，EOS使用拜占庭共识代替最长链共识，名为BFT-DPoS。 

优点是高吞吐量​​：区块生成速度快（EOS可达3000+ TPS）；​​低延迟​​：适合高频交易场景

缺点是​​中心化争议​​：超级节点数量少，权力集中；贿选风险​​：代币大户可能操控选举。

四、三种共识对比

1. ​​公有链场景​​：注重去中心化与安全性时，PoW或PoS更合适；
2. ​​联盟链/高频应用​​：追求效率时，DPoS或PBFT更优；
3. ​​新兴方向​​：混合机制（如Hedera Hashgraph）或分片技术（如Zilliqa）正在探索更高性能的解决方案。