公链核心要素、共识机制的优劣及痛点分析

公链是区块链的底层协议，是区块链世界的“操作系统”，为各种应用开发提供基础技术支撑，是未来区块链技术落地应用的核心基础。经历了公链 1.0 比特币和公链 2.0 以太坊的探索，公链 3.0 正着眼于解决系统的扩展性、安全性和监管兼容性问题，以承载大规模的商业应用。同时，公链 3.0 仍需保留区块链的开放、自治等特性。与互联网的架构不同，区块链底层协议的价值远远超过应用层，底层公链仍将是现阶段区块链行业的攻关重点，各公链在可扩展性、应用性、共识哲学，以及应用生态搭建上的角逐将长期延续。

1.公链1.0-比特币

比特币在设计之初定位为支付工具，只能进行价值传输。中本聪因此大幅删减了许多脚本指令，所以其安全性极高。但比特币的脚本语言是图灵不完备的，不能执行循环语句，可扩展性差，许多高级应用无法建立在比特币脚本之上。

2.公链2.0-以太坊

以太坊是一个具备图灵完备脚本的公共区块链平台，被称为“世界计算机”。除进行价值传递外，开发者还能够在以太坊上创建任意的智能合约。以太坊通过智能合约的方式，拓展了区块链商用渠道，比如众多区块链项目的代币发行，智能合约开发，以及去中心化DAPP 的开发，目前基于以太坊的DAPP 已经超过1000 个。然而，当前的以太坊网络存在扩展性不足、安全性差、开发难度高以及过度依赖手续费等问题，区块链的大规模商用遭遇了发展瓶颈。

3.公链3.0-大规模商用

公链 3.0 定位于能大规模商用，与实际资产和真实价值相关联，推动实体经济发展。目前正在竞争区块链 3.0 的公链项目有 EOS，Cardano等，但这些公链项目多数处于理论论证及测试阶段，少数主链完成开发的项目也仍处于早期探索阶段。而技术储备充足、财力雄厚的公链 2.0 代表以太坊仍在不断地自我迭代，准备采用 Plasma、Sharding 和 Casper 等技术大幅度提高以太坊的处理性能。

公链是未来一切区块链商业应用的基础设施，在已有的技术中，涉及到共识机制、智能合约、跨链技术、侧链技术、兼容性和扩展性等，在这些技术的组合影响下，直接决定着公链的基本性能，包括维护公链正常运行的节点数量、交易处理速度及应用开发的难易程度等。区块链底层平台技术开发具有技术结构复杂、开发难度大、开发周期长及争议较大等特点。

围绕着公链这些底层技术，又形成包括区块链钱包、区块链浏览器、节点竞选、矿机、矿池、开发组件、开发模块、技术社区及项目社群等一系列的生态系统，这些生态系统的完善程度直接决定着公链的使用效率和效果。

目前市场上整体生态系统比较成熟的项目包括ETH、NEO 等，但这些项目尚不能支撑起高频的商业应用，所以市场一直在探索符合商用的公链。

区块链底层技术平台尚处于不断创新，逐渐完善的阶段，以目前的技术水平尚不足以对现实世界产生巨大影响并进入到实际的大规模商用阶段。在目前的区块链底层平台的研发过程中，对共识机制、中心化与去中心化、交易处理速度和安全等问题最为关注，讨论也最为激烈，但对于未来如何实现高效、安全和去中心化的平台大家还尚未形成共识。

公链的核心要素

互联网世界里的核心资源要素包括存储资源、传输资源、运算资源三个方面， 区块链技术作为互联网技术的延伸，其核心资源要素与互联网有很大的相关性。同时，区块链是信任的机器，在互联网传递信息的功能之外，还承载着价值传输的使命，因而区块链世界的核心资源要素可归结为存储资源、传输资源、运算资源和共识机制所产生的信任资源四个方面。

业界通常将区块链的架构分为五个层面，分别为数据层、网络层、共识层、合约层和应用层，我们将其中的核心技术要素提炼成五个维度，包括可扩展性和传输技术、系统安全、分布式存储、监管兼容性和共识机制。公链的核心技术要素和核心资源要素如图 2-1 所示。

共识机制的优劣

主流公链采用的共识机制有：PoW、PoS、DPoS 以及 PBFT，简单介绍如下：

工作量证明机制

Proof of Work（PoW）是指获得多少代币，取决于主体挖矿贡献的工作量，一般来说，电脑性能越好， 分给矿工的矿就会越多。代表币种：BTC、LTC 和现阶段的 ETH。

权益证明

Proof of Stake（PoS）:类似于财产储存在银行，这种模式会根据你持有代币的量和时间，分配给你相应的利息。简单来说，就是指谁拥有的币多（需要钱包在线），谁就有发言权， 所以 PoS 就是根据在线钱包的持币比例来证明谁有发言权。

授权权益证明D

elegated Proof of Stake（DPoS）：让每一个持有某种资产的人进行投票，由此产生一定数量的代表 ,再由选举产生的代表按照某种机制出块。从某种角度来看，DPoS有点像是议会制度，如果代表不能履行他们的职责（比如出现作弊等情况，他们会被除名，网络会选出新的节点来取代他们。代表币种：EOS。

实用拜占庭容错算法

PBFT PracticalByzantine Fault Tolerance（PBFT）：PBFT 是一种状态机副本复制算法，即服务作为状态机进行建模，状态机在分布式系统的不同节点进行副本复制。每个状态机的副本都保存了服务的状态，同时也实现了服务的操作。将所有的副本组成的集合使用大写字母 R 表示，使用 0 到|R|-1 的整数表示每一个副本。为了描述方便，假设|R|=3f+1，这里 f 是有可能失效的副本的最大个数。尽表币种：NEO。

除了以上共识机制之外，还有各种改进型的共识机制，包括租用共识机制 LPoS（通过这一机制，代币持有者可以将他们的代币借给全网节点的矿工，并获得分红收益）、动态权益的共识协议（DSC，通过动态选举若干记账人，然后在所有记账人中采用PBFT 方式进行交易共识）、FBA 联邦拜占庭共识、OCE（基于 DBFT 共识协议和可验证随机函数VRF 的增强版本共识引擎，实现了近乎无限的可扩展性，只需很少的计算量，生产几乎不会分叉的区块链网络，OCE支持可插拔验证者、在线协议修复/升级）等。

主流共识机制的特性优劣分析如图 2-2 所示：

痛点分析

对于 PoW 共识机制：由于专业矿工和矿机的存在，最终算力过度集中让社区趋向中心化发展，矿霸事件频出，容易遭受 51%攻击造成交易回滚，用户损失资产；同时扩展性较弱，性能较低，此外，大量重复计算产生的高能耗也是 PoW 被诟病的原因之一；

对于 PoS 和 DPoS，这种不需要消耗太多算力即可达成共识的机制对 PoW 的上述缺陷有所弥补，但依靠代币数量获得出块又形成了新的中心化趋势，而且实现过程复杂容易分叉，需要运行大量的节点保证公链网络正常，这样会造成网络流量压力大，中间步骤存在安全漏洞。

1.区块确认时间较长

比特币平均 10 分钟出一个块，大致需要 6个区块确认，区块确认时间约为60 分钟；以太坊平均 15 秒出一个块，大致需要 12 个区块确认，区块确认时间约为 3 分钟。区块确认完成才代表当前交易处理已完成，全网已记录，按照此种方式计算，比特币的 TPS（每秒处理事务数）约为 7，以太坊的 TPS 约为15。主流区块链项目的 TPS 情况如图 2-3

所示。

根据目前传统商用应用的处理速度来看，现有区块链平台项目的交易处理速度尚不能支撑起大规模的商用应用，虽然在不断探索和开发，但区块链要真正的进入的商用应用，还需要很长的路要走。传统互联网应用的 TPS 情况如图 2-4 所示。

2.币价随市场波动较大

从数字货币出现伊始，人们就一直在诟病它疯狂的价格波动，近半年 BTC 的价格波动就超过 300%，ETH 的波动超过 400%，某些小币种的波动甚至超过1500%。相比其他金融资产和法币，数字货币价格波动较大的主要原因有三个：

1）监管漏洞较大

数字货币存在着很大的监管漏洞，这是造成其价格波动不稳的主要原因。每一个新兴科技产品，都存在技术层面和道德层面两方面的使用伦理。从技术层面来看，任何一个使用者，只要没有破坏技术层面的准则和规范，都属于正常使用。但是从道德层面来看，将技术应用于非法目的，显然是任何一个国家与合法组织都不能接受的。

因此，一些研究区块链的学者和程序员，希望可以在技术层面上保持区块链的“去中心化”和“匿名化”特性；而在道德层面上与政府、司法部门合作，达到必要的监管目的。

2）投机心态弥漫

以比特币、以太坊为代表的数字货币并非一些人所想象的“庞氏骗局”、“郁金香热”，而是具有技术价值和金融实践价值的数字资产；但几乎没有门槛的 ICO 使得五花八门的区块链项目被拼凑了出来，其中充斥着许多毫无实质内容的空壳。有些 ICO 项目直接把国外的开源项目代码搬来，稍稍改变几个参数，就上线圈钱了。这样的项目，引来了大量投机者。

某些投机者购买某 ICO 代币，短时间内翻60 倍，而他的本金只有 10 万。这种规模的回报率，已经远远超出合理范围。

3）自身技术尚不成熟

公有区块链目前存在很多的问题。区块预设容量太小，扩容方案又多有瑕疵；转账交易速度慢，大量搁置交易；通过对特定网络端口的攻击可以破坏区块链正常确认工作；大量中心化的矿场、交易所逐渐占据全网超过半数的算力，一旦这些平台被黑，整个区块链网络可能面临生死考验；诸如此类，不一而足。技术不成熟，就意味着区块链网络可能面临攻击，其市场价格也就容易产生较大波动。

综上所述，监管漏洞大往往会让价格迅速上升，因为众多非法交易一直在助推价格走势；投机气氛浓厚是数字货币价格呈现过山车走势的重要原因，但凡有坏消息流出，价格便会应声回落或踟蹰不前；技术不成熟，令价格无法稳定在合理区间内，价格的涨跌幅度较大。

3.特殊场景下隐私无法得到保护

当中本聪于 2009 年发明比特币时，他提供了一种方式供无条件信赖彼此的参与者们协作维护规范且防篡改的交易和电子信息纪录。后面的区块链公有链都参照了这种方式，每一个参与者都能够获得完整的数据备份，所有交易数据都是公开和透明的。这是区块链的优势特点，但另一方面，对于很多区块链应用方来说， 这个特点又是致命的。因为很多时候，不仅仅用户本身希望他的帐户隐私和交易信息被保护，就商业机构来说，很多帐户和交易信息更是这些机构的重要资产和商业机密，不希望公开分享給同行。

比特币对隐私保护的解决思路是，通过隔断交易地址和地址持有人真实身份的关联，来达到匿名的效果。所以虽然能够看到每一笔转账记录的发送方和接受方的地址，但无法对应到现实世界中的具体某个人。但这样的保护是很弱的，通过观察和跟踪区块链的信息，通过地址 ID、IP 信息等还是可以追查到帐户和交易的关联性。