聊聊比特币系统中的「共识」

要想清楚的了解 PoW 工作量证明算法和基于该算法的共识机制，无需查看多余的资料，只要追本溯源，仔细阅读比特币白皮书即可。
事实上，白皮书的2-5章节就是一个入门版的比特币系统框架的介绍了：

1 PoW机制是什么？

1.1 白皮书第四节Proof of Work译文

第四节 工作量证明

为了在点对点的基础上完成一个分布式时间戳服务器，我们需要使用一个类似于类似于Adam Back 提出的哈希现金（Hashcash）的工作量证明系统，而不是以前的新闻组及论坛的机制。「工作量证明」牵涉到对一个值的搜寻。这个值用SHA-256等算法进行hash操作后，得到的hash值从一定数量的0字节开始。搜寻这个值的平均工作量随着0字节的增加呈现指数级增长，但是校验这个值只需要执行一次hash操作。

为了时间戳服务器网络的运行，我们实施了这样一种工作量证明机制——找到一个被称为Nounce的随机数，找到后在区块中增加它。 Nounce能让区块的hash值以一连串所需数量的0字节开头。CPU不断运算，直到完成了一个「工作量证明」。那时，这个区块将不能被修改，除非重新完成这个工作量。当之后的区块链接到这个区块后，改变这个区块要做的工作还包括重做（redo）这个区块之后的所有区块。

这个工作量系统也解决了集体决策谁代表大多数的问题。如果大多数是基于一个IP一个投票权的话，这个系统能被分配了大量的IP地址的人破坏。工作量证明本质上来说是「一个CPU一个投票权」。大多数的决策被最长的链条所代表，也代表了最大的「工作量证明」的结果的投入。如果绝大多数CPU算力被诚实的节点所控制，那么最诚实的链会增长得最快，同时超过所有和它竞争的链。为了修改过去的区块，一个攻击者将不得不把块和之后所有的块里所有的工作量重做，然后追上并超过诚实节点的工作。我们将在之后证明，随着随后的区块被添加，一个较慢的攻击者赶上的成功概率将呈指数化递减。

为了补偿硬件运算速度的增长，及节点参与网络的程度的起伏，工作量证明的难度取决于一个移动的均数——每小时产生的平均区块数量。如果产生得太快，那么难度就会增加。

1.2 什么是Nouce？

（1） Nounce的概念

区块中一个32位（4字节）的字段，有了这个字段，区块的hash值会包含一连串的0。这个字段和其它字段是独立的，也即不会影响到其它的字段。

（2）Nounce代表了算力，挖矿挖的就是Nounce

找到这个值需要消耗算力进行大量的随机碰撞，因此这个值可以用来衡量算力。而我们熟知的「挖矿」，挖的就是这个Nounce。

（3）控制「找到Nounce」的难度

为了确保固定10分钟生成一个区块，找到Nounce的难度会随着「每小时产生的平均区块数量」而增加。控制难度的方式是——控制区块生成的hash值的开头的0的数量。这就是第二个问题的回答了。

（4）Nounce提供了一种公平性

寻找Nounce的过程童叟无欺，先碰撞到就有，碰撞不到或者后碰撞到就无，所以是一种非常公平的选择区块打包者（Block Producer）的解决方案。正因为这种解决方案是公平的，所以大家愿意相信比特币系统，加入到这个系统中来。

2 比特币网络运行原理简述

说白了，「共识」就是这么一件事，让区块链网络上的所有节点都一致认同一本「账本」，过程中可能某些节点上会产生短暂的分叉，但是最终一定要回归一个账本。具体是怎么做到的？这就要看白皮书的第5节Network了。

2.1 白皮书第5节Network译文

第五节 网络

运行网络的步骤如下：

1）新的交易广播给全节点。

2）每一个节点将新交易收集到一个区块内。

3）每个节点为它的区块寻找到一个具有足够难度的工作量证明。

4）当节点找到了这个「工作量证明」的时候，它将这个区块广播给所有的节点。

5）仅当区块中所有的交易都是有效的且之前未存在过时，所有的节点接受该区块。

6）所有的节点表示接受该区块的方式是——在链上创造下一个区块，将已接受的区块的hash值作为前一个hash值（hashPrevBlock）。

节点总认为最长的链即是正确的那一个，同时将对它进行延长。假如两个节点同时广播下一个区块的不同版本，有一些节点将会比另一个更早的接收其中一个。在这种情况下，它们在第一个接收到的节点的基础上进行工作，但是保存另一个分支，以防另一个分支变得更长。当下一个「工作量证明」被找到，一个分支变得更长时，僵局会被打破——那些曾经在某分支上工作的节点会转而选择更长的那个。

「新交易的广播」没有必要到达所有的节点。只要交易信息能够抵达足够多的节点，那么它们将很快被整合进一个区块中。区块广播对于丢失的信息具有一定的容错度。如果一个节点没有接收到区块A，当它接收到下一个区块，然后发现自己漏掉了区块A时，也可以自己提出下载区块A的请求。

2.2 图解区块链—比特币网络是如何运作的？

（1）假设一个网络中存在ABCD四个节点。

（2）发生了三笔交易，交易被广播给ABC三个节点。但是节点D现在不在线，所以没有接收到~

（3）ABC三个节点开始「挖矿」，也就是寻找Nounce啦。

（4）节点A率先找到了Nounce，将区块成功打包。

（5）节点A将打包好的区块广播给其它节点。

（6）其它节点确认没有「双重支付」等问题后接受该区块，接受的方式为链上这个区块后再在这个区块后链一个区块（后一个区块在图上标记为区块4）。

（7）D节点上线了。这时候C节点向D节点发送区块4的时候，D节点会发现少了一个区块，它便向其它节点请求：「给我那个漏掉的区块！」

（8）特殊情况！如果同时收到下一区块的两个版本（区块A与区块B），那么选择哪一个区块取决于下下个区块是基于「区块A」的还是基于「区块B」的延长。

3 总结

比特币系统的共识可以分为「狭义的」和「广义的」。

狭义的指的是节点间保持共识，基于PoW算法和网络机制，确保所有节点认同唯一一本「账本」。

广义的共识不仅包括机器达成的共识，还包括因为这个系统具有透明性、不可篡改性和公平性，人们信赖这个系统，从而愿意加入到这个系统中来，促使这个系统的繁荣。