從因果關係而言，演算法共識機制最先由創始人設定，隨著區塊鏈專案的發展，社群會逐步壯大，生態會逐步完善，在社群內會產生不同的利益訴求群體，需要透過決策共識機制實現專案的進一步發展 ；同時，隨著區塊鏈專案價值的增大，承載其價值的 token 定價日益市場化，需要市場共識機制發揮作用。決策共識機制和市場共識機制可統一納入現有經濟管理框架內（社會治理、激勵相容、資產定價等），而理解透過機器語言表達的演算法共識的經濟學含義具有深刻的現實意義。
不同演算法共識的經濟學含義
當前縈繞在區塊鏈行業內的一個阻礙是機器語言和經濟語言之間的鴻溝。機器語言的程式設計人員對經濟學缺乏瞭解，同時經濟學工作者由於看不懂程式碼和技術圖又難以對區塊鏈經濟系統進行修正和完善，這深刻地阻礙了兼具技術屬性和經濟屬性的區塊鏈的發展。從經濟學角度闡述區塊鏈的演算法共識具有深刻的理論和現實含義。
（一）工作量證明機制 (POW) 及其經濟學含義
POW 在區塊鏈系統中成熟的標誌是 2009 年比特幣主網的上線。作為區塊鏈最為經典的共識機制其核心思想是透過去中心化節點的算力競爭來保證系統交易資料的一致性，驅動算力競爭的經濟激勵是獲得下一區塊的記賬權和該系統自動生成的 token 獎勵。就比特幣區塊鏈而言，工作是指求解複雜但是驗證容易的 SHA256 數學問題，在演算法上這一問題的求解被標準化。生產方式的標準化推動了分配方式的標準化。
POW 的思想由來已久，即透過增加經濟成本來提高市場誠實參與者的比重，以此來篩除非誠實節點。1993 年 POW 的思想被用來解決垃圾郵件問題，要求郵件傳送者必須算出某數學題答案來證明傳送郵件者的誠實度 , 提高惡意郵件傳送者成本。1999 年 POW 的概念被正式提出，這為POW在區塊鏈系統中的應用奠定了堅實的基礎。POW 的執行模式和分配製度生動地再現了數字經濟正規化下的馬克思勞動價值論和按勞分配製度 ：商品價值由無差別的一般人類勞動凝結而成 ；在數字經濟時代，無差別的一般人類勞動很大程度上並非由人類直接勞動完成，而是基於算力實現。與生產方式相對應，分配到 token 的數量與市場參與者貢獻的算力成比例。2008 年的國際金融危機是比特幣和區塊鏈產生的直接原因，而POW也體現了區塊鏈經濟系統對由中心化的財政政策和貨幣政策主導的信用經濟體系的反對與牴觸。此外，POW 需要部署礦機、開發晶片、建設產業園，這會帶動整個產業鏈經濟的發展，有助於區塊鏈實現脫虛向實、賦能實體，也更容易被傳統經濟和金融業接受。2019 年11 月比特幣礦機生產商嘉楠科技在納斯達克掛牌上市，成為“全球區塊鏈第一股”。
同時，POW 也引起了廣泛爭議，包括強大算力造成的巨大電力消耗。根據 2018 年 5 月Arvind Narayanan 向美國參議院能源和自然資源委員會提交的報告，當時比特幣挖礦每天消耗的電力約為5GW，已接近全球耗電量的 1%。而隨著比特幣下一個減半週期的臨近，算力增長非常迅速，這造成了更大程度的電力消耗。另一個方面，POW的支持者們認為，標準化後的電力是全球通用的一般性產品，算力和電力凝結了無差別的人類勞動，這是基於 POW的區塊鏈產生的 token 區別於“空氣幣”的重要原因，持續增長的算力這也反映了社會對比特幣的共識程度增強。但毫無疑問的是，在人類能源問題的解決取得突破性進展之前，POW 區塊鏈專案無法大規模採用 POW。近年來，包括以太坊在內的部分割槽塊鏈專案都啟動了從POW 向其他共識機制的轉換路線。
採用 POW 的另一個問題是區塊鏈系統難以實現商業化應用。比特幣的出塊時間約為 10分鐘，當大量的交易發生時不能被及時確認。即使此後誕生的基於 POW 的區塊鏈做出了一定程度的改進，如萊特幣的出塊時間縮短為 2.5 分鐘，但仍難以滿足商用需求，這也為 POW的推廣帶來了很大困難。儘管 POW 存在能耗大、出塊時間長等問題，但其理念得到了一定程度的認可，不少新的區塊鏈專案在原生 POW 的基礎上進行了共識演算法的改進，主要的改進方向是降低能耗和提高出塊速度。實現這一改進有三條基本的經濟路徑 ：一是直接增大市場容量，同時等比例提高市場交易和資料處理速率。這種路徑只能提高出塊速度，對能耗沒有直接影響。二是基於 POW 產生區塊鏈經濟系統的“關鍵少數”，“關鍵少數”在一定時期內隨機更新，由“關鍵少數”完成剩餘的記賬等經濟活動，這部分經濟活動的資料可能不在主鏈上。這種經濟路徑既提高了出塊速度，又降低了能耗。三是將區塊鏈系統進行分片(Shard) 處理，將全部的市場經濟活動分割槽並行處理和儲存。這種經濟路徑既提高了出塊速度，又降低了能耗，但破壞了每個區塊內儲存交易資料的完整性。
2016 年 3 月在 POW 基礎上產生的一種新型共識演算法 Bitcoin-NG 將時間切分為不同的時間段，在各時間段上由一個領導節點負責區塊生成和交易打包。Bitcoin-NG 中包含了用於選舉領導節點的關鍵區塊和包含交易資料的微區塊這兩種不同的區塊：關鍵區塊基於 POW生成 , 關鍵區塊選舉產生領導節點，領導節點被允許以小於預設閾值的速度生成微區塊。Bitcoin-NG 在經濟層面的解決思路與“隔離見證 + 閃電網路”相似，即不改變區塊的市場容量，透過選舉領導節點放棄某一時間橫截面上的去中心化，提高了生成區塊的效率 , 從而間接增加了市場容量。
2016 年 10 月提出的 Elastico 作為第一個基於拜占庭容錯的安全分片協議，透過將全區塊網路進行分片增強系統的可擴充套件性 , 其思路是將區塊鏈網路隔離為多個分片 , 這些分片可並行處理互不重合的經濟交易集合。分片改變了區塊鏈系統的出塊和儲存結構，儘管提高了出塊速度、降低了能源消耗，但破壞了每個區塊內儲存交易資料的完整性。
2017 年 在 Elastico 共 識 的 基 礎 上，Omni Ledger 提出 ByzCoinX 共識，透過一種抗預測的公共隨機協議選擇具有統計代表性的大型分片處理經濟交易，並引入跨分片提交協議進行原子級交易處理。ByzCoinX 共識結合了 Elastico 共識和選舉類共識的優勢，透過並行跨分片資料處理最佳化區塊鏈系統效能 , 是一種既能提供可擴充套件性而又不必長期去中心性的架構。沿著將選舉類共識融入 POW 類共識的發展路徑，消逝時間證明共識機制 (Proof of Elapsed Time, POET)、運氣證明共識機制 (Proof of Luck,POL)、空間證明共識機制 (Proof of Space,POSP) 以及有益工作證明共識機制(Proof of Useful Work, POUW) 等無須消耗算力進行挖礦的演算法相繼誕生。在現階段去中心化、高效率、安全性三者不可兼得的情況下，基於 POW 類共識機制的區塊鏈專案必定要有所取捨。儘管當前 POW 類共識效率低、能耗高等缺陷難以根除，但 POW 仍是歷史最久、影響最大的共識機制，被廣泛接受的工作量仍然為區塊鏈專案的價值提供了堅實的支撐。
（二）權益證明機制 (POS) 及其經濟學含義
2011 年 7 月 , 名叫 Quantum Mechanic 的區塊鏈愛好者在比特幣論壇中首次提出了POS 演算法共識。在 2012 年 8 月誕生的點點幣是首個基於 POS共識機制的區塊鏈專案，由該經濟系統中具有最高權益的節點獲得記賬權 , 其中的權益表現為節點對該區塊鏈系統token 的所有權 , 稱為“幣齡”（Token day），類似於傳統金融中的股權治理機制，只是將時間因素囊括其中。在最經典的 POS 機制中，“幣齡”等於 token 的數量乘以持有時間 ：Token day=Token*Timeweight。在 POS 的改進版本中，“幣齡”在其原始經濟含義的基礎上根據不同專案做了不同程度的修改。截至 2019 年 6 月，全球已有超過 400 個區塊鏈專案採用 POS 共識機制，總市值超過 140 億美元。考慮到以太坊等專案正在從 POW 向 POS 轉換，而以太坊又具有最豐富的經濟生態，未來 POS 類共識可能成為最主流的共識機制。
POS 共識機制誕生初衷是克服 POW 共識機制的不足，事實上也在一定程度減輕了出塊速度慢和能源浪費等問題，同時進入門檻較 POW 更低，對中小節點更加友好，中小節點不需要部署礦機和廠房即可參與記賬。但是也存在一定的缺陷 ：第一，初始的 token 分配方式存在問題。不同於POW 透過算力競爭記賬權，POS 的初始分配方案難以機制化。一般而言，在 POS 專案發展的初期，難以對 token 進行廣泛的社會化分發，只能集中在少數的專案創始人及重要利益相關者手中。第二，不同於 POW 驗證節點作惡具有成本的約束機制，POS 驗證節點作惡的成本在 token 價格較低時非常低。對於作惡低成本帶來的問題是作惡節點會頻繁出塊和簽名，或者在多條鏈的分叉上簽名，併為獲得更多獎勵攻擊區塊鏈系統，即所謂的“無利害攻擊”（Nothing at Stake）。第三，在 POS 共識中，需要足夠的節點對token 進行 持有才能維護系統的健壯與安全，區塊鏈經濟系統才有良性發展的空間。這會導致以下兩個問題 ：一是，POS 專案在早期參與者較少，如果 token持倉的集中度非常高，則很有可能出現數量很少的記賬節點壟斷出塊的現象，這會極大提高區塊鏈的系統性風險。二是，即使 token 的持倉分佈較為合理，但並非所有節點都是記賬節點。受限於持倉量、成本和專業度等因素，token 持有人往往會選擇將 token 委託給節點運營商（包括數字貨幣錢包提供商、數字貨幣交易平臺、第三方服務提供商等）管理，由節點運營商代為行使出塊、投票等權利，而 token 持有人享有分紅等權利，這也就是所謂的“Staking Economy”。2019年 3 月，Coinbase Custody 對基於 POS 共識的區塊鏈專案Tezos 為客戶提供 token 託管服務，扣除相關費用後，投資者的年收益率約為 6.6％。
對 POS 共識機制的改進主要針對其三個缺陷進行，但對三個缺陷進行改進的難度各不相同。初始的 token 分配方式問題是 POS 共識的內生性問題，解決方式一般是先採用 POW共識機制，在生態發育良好後再向 POS 共識機制轉化。對於token 持倉量的分佈性問題則需要依靠經濟激勵和營銷渠道去解決，在現實中很多非法集團採用傳銷去解決這一問題，這事實上給區塊鏈行業帶來了巨大的負面影響。如何從經濟模型上設計一套完善的初始 token 分發機制進而形成合理的 token持倉分佈是進一步完善 POS 共識的關鍵。
對於“無利害攻擊”則主要從演算法上對 POS進 行 修 正 解 決， 形 成 了 Tendermint、Casper、Ouroboros、Tezos 和 HoneyBadger 等新型共識演算法。原始 POS 演算法共識假設系統節點在長期是靜態和穩定的 , 這在現實區塊鏈系統中並不存在。2014 年誕生的Tendermint 共識將動態驗證器集合和迴圈領導節點選舉納入 POS 共識 , 為解決“無利害攻擊”這一弊病 ,Tendermint 節點須繳納保證金 , 若有作惡行為保證金則會被沒收。同時，Tendermint 基於 PBFT 共識演算法 , 可抵禦區塊鏈系統中三分之一的作惡節點攻擊，具有較好的魯棒性。2016 年誕生的 HoneyBadger 演算法是可在無任何網路時間假設的前提下實現經濟系統的活性，同時可實現漸近有效性的原子廣播協議 , 每秒交易量（Transactions Per Second，TPS）可到達萬量級。2017 年 8 月誕生的 Ouroboros 提出了一種新型獎勵機制驅動 POS 共識機制 , 使得誠實節點的行為趨近納什均衡 , 可有效抵禦區塊截留和自私挖礦等礦工策略性行為導致的安全攻擊。
（三）委託權益證明機制 (DPOS) 及其經濟學含義
DPOS 共識機制本質上屬於 POS 類共識，為克服 POS 在區塊容量、出塊速度等方面的侷限而產生，但因其在經濟模式上的創新和現實中的影響一般將其視為一種新型共識機制，2013 年 8 月由去中心化的數字資產交易所 BitShares 首次提出。DPOS 共識的基本思路類似我國的人民代表大會制度 , 採取民主集中制的原則，區塊鏈系統中的每個 token 持有者都有選舉出塊節點的權利 , 也有被選舉成為出塊節點的權利。在位元股中，出塊節點的數量是101 個，在願意成為出塊節點的所有節點中獲得投票前 101 名的節點將成為出塊節點 , 按照既定時間表輪流對交易進行打包、結算及出塊。出塊節點的義務包括提供頻寬及算力、參與出塊過程、維護系統安全等。出塊節點可透過出塊獲得區塊獎勵和交易費用，但若token持有者認為出塊節點未能履行義務，其記賬權會被取消，由得票最多的候選節點遞補。每個出塊節點服從相同概率隨機獲得出塊記賬機會，被抽中時有 2 秒許可權生成區塊、完成記賬。若出塊節點未能按時出塊，出塊許可權則交給下個時間區間對應的出塊節點。出塊節點按照最長鏈原則選擇在高度最高的區塊後新增自己的區塊。DPOS共識機制由於減少了出塊節點的數量和出塊時間，可實現 VISA 和 MasterCard 級別的資料吞吐能力。
BitShares 採用的原始 DPOS 共識在每個時間區間都是由單個記賬節點完成，儘管記賬節點被隨機抽出，但仍有作惡的可能性。2018 年 6 月主網上線的 EOS 在原始 DPOS 共識的基礎上融入拜占庭容錯演算法，採用了 DPOS-BFT 共識，在投票選舉出記賬節點的基礎上，使用 BFT 類演算法在記賬節點間形成共識。EOS 共有 21 個出塊節點，BFT 類共識可對 1/3的記賬節點容錯，即任一區塊得到 15 個及以上的記賬節點確認即可最終確認。[18]
DPOS 共識機制能解決 POW 共識的能源消耗和聯合挖礦對區塊鏈系統去中心化構成威脅的問題 , 也能彌補 POS 共識中部分擁有記賬權益的節點只關注收益率而不希望參與記賬的缺陷 , 對高效率、去中心化、靈活度等系統重要經濟目標取了一個內部解的折中方案。但是DPOS 共識機制由於記賬節點數量有限並且公開，攻擊者想要發動攻擊較為容易，記賬節點需要額外保護措施，增加了節點執行成本。此外，區塊鏈原教旨主義者認為 DPOS 共識機制破壞了比特幣區塊鏈去中心化的特徵，是向中心化經濟系統的妥協。
（四）有向無環圖 (DAG) 及其經濟學含義
有向無環圖指任意一條邊有方向、不存在環路的圖形結構。DAG 共識機制改變了區塊鏈系統的市場結構，DAG 中的交易單元包含了交易、簽名及父輩單元資訊，交易單元間以雜湊相關聯，在經濟系統中不存在區塊概念，自然也沒有出塊、打包等過程，DAG 透過使用者間相互確認縮短交易確認時間。在 DAG 共識機制中所有交易都併發進行，無交易吞吐量瓶頸限制，節點越多交易確認速度越快，在鏈式結構無此類優點。DAG 結構和鏈式結構本質上都是分散式結構，其本質區別在於賬本的非同步性與同步性 ：DAG 作為一種典型的謠言傳播演算法，透過在節點間傳送賬本資料，將記賬行為進行非同步處理來增加資料吞吐量 ；鏈式結構則是實現定期同步檢查點的資料庫同步機制。[19]
DAG 共識機制透過以下步驟防止雙重支付 ：第一，節點嘗試使用兩個相同的輸出單元時，當其中一個單元包含另一個單元時、且有先後順序時，則直接拒絕後面單元。第二，兩個相同的輸出單元，無先後順序，則在整個 DAG 經濟系統中，建立總順序後，出現早的單元得以確認，出現晚的單元無效。第三，設定總順序的定義，相同地址釋出超過一個單元時，要求每個後續單元包含所有先前單元。第四，若節點惡意釋出順序相同的兩個單元，無論這兩個單元輸出中有無相同字元按照全網總順序處理，後續單元 無效。第五，若使用者按照協議嘗試同一輸出兩次排序後生成單元，則按照本身順序，晚生成單元無效。
DAG 在革新資料結構和記賬方式的同時，也存在一些問題 ：第一，無法保證交易狀態的原子性和賬本的統一性。從時間維度而言，可能存在某節點在確認某筆交易時候，其交易確認時間無法估計 ；從節點維度而言，可能存在某節點沒有被廣播到某時間的交易資訊，從而導致交易無法更新。第二，在並行處理模式下，隨著交易量增多，DAG 資料結構會日益複雜，對安全性提出的要求也會日益增加。
總結而言，不同演算法共識的經濟學含義都是解決“誰有記賬權”和“在分散式系統中如何同步賬本”這兩個核心問題，在 POW 共識機制提出問題的解決方案後，POS、DPOS 以及DAG 等新型共識機制試圖對 POW 的缺陷進行改進，或對於區塊鏈經濟系統的不同政策目標進行取捨。同時，不同演算法共識具有融合的趨勢，尤其以 POW與 POS 共識機制的有機結合最為突出，POW 解決了 POS 的初始 token 分配問題和作惡節點成本低問題，而 POS 在一定程度減輕了 POW 出塊速度慢和能源浪費問題。此外，若在 POW 的基礎上引入 POS，則將區塊鏈系統的安全性建立在誠實節點擁有超過一半權益的基礎上，即同時掌握超過 51% 的算力和權益才能發起 51% 攻擊。
如何協同區塊鏈三種型別的共識機制
區塊鏈作為一項蘊含經濟學核心的技術，理解其共識機制的經濟學含義、最佳化共識機制的經濟模型設定對推進區塊鏈技術落地、賦能實體經濟發展具有重要意義。狹義上的區塊鏈共識機制指演算法共識，演算法共識是構成區塊鏈的必需要件，也是區塊鏈專案的基本面之一。但同時“人的共識”——決策共識和市場共識，也在區塊鏈的發展中起到不可替代的作用。決策共識起到對演算法共識不斷修正的作用，決策共識的收斂與否決定了演算法共識的穩定性。市場共識代表了區塊鏈系統內的利益相關者透過“用腳投票”的方式表示對該專案的認可程度。當前將區塊鏈共識機制狹義化的現狀割裂了三種不同型別的共識機制，對區塊鏈的深化發展造成了阻礙。
區塊鏈三種共識機制的割裂本質上體現了鏈上治理與鏈下治理的分離。任何一個區塊鏈系統都在時刻與外界進行著資訊與價值交換，即使是公有鏈也會受到鏈外中心化設施的影響，因此完全意義上的去中心化是不存在的。自 2009 年區塊鏈正式誕生，決策共識治理機制缺失導致的各種分叉和市場共識缺失導致的 token 價格暴漲暴跌深刻地影響了區塊鏈的演進與嬗變。此外，圍繞區塊鏈的法律、政策等鏈下治理設施對鏈上的演算法共識也有重要影響。因此，推動促進區塊鏈三種型別共識機制的協同發展對於貫徹落實習近平總書記區塊鏈重要講話精神具有積極意義。
第一，要把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，強化基礎研究，著力攻克一致性、可用性和分割槽容錯性三者難以相容的技術瓶頸，不斷完善現有演算法共識，根據形勢建立適合應用場景的新型演算法共識機制，加大人員和資金投入力度，進一步打通創新鏈、應用鏈、價值鏈，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展，著力推進區塊鏈同人工智慧、物聯網、大資料等前沿科技的深度融合。
第二，為區塊鏈決策共識機制的建立提供完善的基礎設施和健全的法律政策環境，著力提高社會對區塊鏈的接受程度和認知水平。探索實現區塊鏈專案利益相關者同區塊鏈專案的激勵相容機制，提升我國在決策共識形成過程中的國際話語權和規則制定權，對有價值、有意義的區塊鏈分叉保持開放態度，保持和鞏固中國在主流公有鏈挖礦產業的領導地位。
第三，儘管聯盟鏈是我國區塊鏈落地的主要方式，但仍應正視公有鏈在技術創新、微觀治理等方面的重要作用，透過市場共識引導建立均衡的演算法共識和決策共識機制。加大對公有鏈和聯盟鏈的混合鏈的研究和實踐，在充分利用聯盟鏈許可性和監管性強的基礎上，將可公開的資料放到公有鏈上，接受公眾監督，落實十九屆四中全會將資料作為生產要素和分配要素的決定。
（吳桐：中央財經大學金融學博士，CECBC區塊鏈專委會副主任、數字經濟商學院院長，數字資產研究院學術技術委員會委員）
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