區塊鏈系統首先是分散式系統，分散式領域最為基礎的問題就是一致性問題。
如果分散式系統能夠實現一致性，對外就可以呈現出一個完美的、可擴充套件的“虛擬節點”，這也是分散式系統希望實現的最終目標。 區塊鏈系統由非常多的分散節點組成，對於加入區塊鏈的新內容，大多數節點必須達成一致才能成功寫入，這種共識機制保證了網路安全，讓篡改內容變得非常困難。
一致性與共識之間是結果和手段的關係
人們常常把一致性與共識混為一談，實際上一致性描述的是結果狀態，共識則是一種手段。一致性一般是指分散式系統中多個副本對外呈現的資料的狀態，共識則描述了分散式系統中多個節點之間，對某個狀態達成一致結果的過程。 要保障系統滿足不同程度的一致性，往往需要共識演算法來達成。共識演算法解決的是對某個提案達成一致意見的過程，這裡的提案可以指任何能達成一致的資訊。
FLP不可能原理是共識演算法的理論界限
1985年，Fischer、Lynch和Patterson提出了FLP不可能原理，它是分散式領域裡的測不準原理，指的是在網路可靠，但允許節點失效的最小化非同步模型中，不存在一個可以解決一致性問題的確定性共識演算法。這裡的非同步與同步相對，指的是系統中各節點可能存在較大的時鐘差異，同時訊息傳輸時間和各節點處理訊息的時間可能都是任意長的，這樣就無法判斷某個訊息遲遲未被響應到底是哪裡出了問題。
利用CAP之不可能三角用一方面的妥協保證另一方面
2000年7月，加州大學伯克利分校的Eric Brewer提出CAP猜想，2年後麻省理工學院的Seth Gilbert和Nancy Lynch從理論上證明了CAP，之後其正式成為分散式計算領域的公認定理。分散式計算系統不可能同時確保以下三個特性：C（一致性）、A（可用性）和P（分割槽容錯性）。區塊鏈系統中使用共識演算法優先保證整個系統的容錯能力。
拜占庭將軍問題是允許少數節點作惡時達成一致性的問題
1982年，Leslie Lamport等提出一個用來解釋一致性問題的虛構模型——拜占庭將軍問題，這是一個在不可靠的環境中建立一個可靠系統的問題。拜占庭是古代東羅馬帝國的首都，想要進攻一個強大的敵國，為此派出了10支軍隊去包圍它。敵國的軍事力量足以抵禦5支拜占庭軍隊的同時襲擊。因此任一支軍隊單獨進攻都毫無勝算，除非有至少6支軍隊同時襲擊才能攻下敵國。由於地域廣大，守衛邊境的將軍們需要透過信使來傳遞訊息，達成進攻意向及進攻時間的共識。但將軍並非都是忠誠的，其中可能有叛徒存在，叛徒可能擅自變更進攻意向或者進攻時間，故意干擾共識的達成。在這種情況下，如何保證忠誠的將軍們能達成行動上的一致性，贏取戰鬥？這就是拜占庭將軍問題。 從1982年到1999年，都無人能夠真正創造一個可以解決拜占庭將軍問題的系統。
共識演算法分CFT和BFT兩大類，BFT又分為確定性演算法和概率演算法
在傳統的資料庫和分散式系統領域，對資料一致性的研究已經非常多，但在區塊鏈出現之前，很少有系統有上萬個節點要同步，同時在傳統的分散式網路中，各個節點也不會因為貪圖利益故意偽造資訊，很多情況下是由於網路的原因而掉線或傳送錯誤訊息。因此，可根據要解決的問題是普通錯誤還是拜占庭將軍問題，將共識演算法分為CFT（Crash Fault Tolerance）和BFT（Byzantine Fault Tolerance），CFT已有一些經典的解決演算法，包括Paxos、Raft及其變種等，其中Paxos演算法1990年由Leslie Lamport提出，被廣泛應用於Google的Chubby Lock中，而Chubby Lock後面則被應用於Google的核心設計Bigtable中。
而BFT則是在區塊鏈系統中常用的共識演算法，分為PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）為代表的確定性系列演算法和工作量證明（PoW）為代表的概率演算法。對於確定性演算法，一旦達成對某個結果的共識就不可逆轉，即共識是最終結果；而對於概率性演算法，共識結果則是臨時的，隨著時間推移或某種強化，共識結果被推翻的概率越來越小，成為事實上的最終結果。
確定性演算法PBFT降低了演算法複雜度，適合聯盟鏈
1999年，Castro和Liskov在論文中提出PBFT演算法，解決了以往拜占庭問題的解決方案複雜度過高的缺點，將演算法複雜度從指數級降到多項式級。PBFT演算法中，如果有超過2/3的節點正常，整個系統就能正常工作，其特點有三，一是共識各節點由業務的參與方或監管方組成，安全性與穩定性由業務相關方保證。二是共識的時延基本達到商用實時處理的要求。三是共識效率高，可滿足高頻交易量的需求。 非常適合聯盟鏈的應用場景。但其前提仍是依靠法定多數，一個節點一票，少數服從多數，這在開放生態的公有鏈中，存在很大的問題。
概率演算法PoW透過引入激勵機制和隨機性提供解決新思路
對PoW最簡單的理解就是按勞分配、多勞多得，其協議如下，首先向所有節點廣播新的交易，每個節點把收到的交易放進區塊中，每一輪中透過解出數學題找到隨機數的方式決定勝出的節點，由它廣播其所保有的區塊，其他節點在驗證區塊中所有交易正確無誤後接受該區塊，其他節點將該區塊的雜湊值放入下一個它們建立的區塊中，表示承認這個區塊的正確性。節點們總是以最長的鏈為合法的鏈，並努力去延長這條鏈。
可以說區塊鏈系統是技術和人性的結合，引入激勵機制讓節點維護一致性。為了更容易理解，可以參考我們熟悉的市場經濟，市場經濟是一個典型的去中心化系統，參與市場經濟的每個主體都在遵守商業規則的基礎上，按照實現自己利益最大化的原則行事，同時在客觀上推動了整個市場的繁榮，這就是凱恩斯所說的“看不見的手”；而PoW則構造了一個以競爭-記賬-獎勵為核心的正向迴圈的經濟系統，解決了去中心化記賬問題，每個節點只需根據自身利益行事，出於“自私”（得到獎勵）的目的進行記賬權的競爭，最終造就了保護系統安全的龐大算力。
在拜占庭問題中，決定下一步的行動計劃，不能像在中心化系統中，由權威大的做決定，因此引入了隨機性，即爭奪決定權，誰的計算力強，誰就可以做決定（記賬）。此外，拜占庭問題之所以難解，在於任何時候系統中都可能存在多個提案，因為提案成本很低；並且難以完成最終一致性的確認，極易被幹擾。PoW演算法對此做了兩點改進：一是增加提案成本，限制一段時間內網路中的提案數；二是放寬對最終一致性確認的需求，約定好大家都確認並沿著已知的最長鏈進行拓展。系統的最終確認是概率意義上的。對於公有鏈來說，PoW應該是最優演算法。
更進一步，想要改變一個系統，上策就是尋求形成共識，構建利益共同體
共識機制在中實現了更有彈性的協作方式。最近流行的Token經濟學其核心也就是形成利益共同體，合作共贏。它可以解決市場交易成本問題，其設計的核心理念，是把原來系統中分散的交易成本集約起來，用技術手段把收益分到系統中每個參與者，使系統整體摩擦力不斷下降，從而使Token內在價值不斷上升。透過設計合理的Token機制，調動參與者的積極性，從而形成良好的生態組織，不論其服務於哪個領域，最終一起構建了區塊鏈的生命體（就像阿西莫夫筆下的蓋婭一樣），本質上是協同進化，構建更強大的利益共同體。
再往遠了說，對於人類社會這個更大的組織系統來說也是一樣，有句話叫“團結就是力量”，真正的團結應該是在某種共識的基礎上，一個系統裡所有人各自的小目標和系統的大目標達成了一致。比如說，中國共產黨在抗戰時團結一切力量，就是透過形成抗擊日本侵略者這個共識；而習總書記提出的共同構建人類命運共同體，也是一個更高層次的共識，最符合全球人類的願望和根本利益。
來源：公眾號（智慧之河）
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