区块链核⼼技术：DPoS共识机制
马云多大年龄属什么DPoS 全称是 Delegated Proof of Stake，中⽂翻译过来是代理权益证明。
从 BM 开始聊起的故事
我们聊 DPoS 时，为什么要从 BM 聊起呢，其实，这和聊⽐特币绕不开中本聪⼀样，DPoS 是 BM ⼀⼿创造的。DPoS 不是独⽴提出的共识算法，⽽是直接被 BM 应⽤到⽐特股项⽬中，在稳定运⾏了 3 年多后，⼜接着被 BM 构造成可复⽤的区块链⼯具箱：⽯墨烯。
虽然应⽤得很早，但 DPoS 算法直到 2017 年才被 BM 单独拎出来作了⼀篇“DPoS 技术⽩⽪书”，这期间伴随着⽐特股、Steemit、EOS 三个项⽬的依次发布。那么到底 BM 是谁，市场上对这个⼈的评价为什么富有争议呢？或许我们从了解 BM 开始，才能体会到 DPoS 的精髓。
我们在前⾯的⽂章中曾简单提过 BM，BM 的本名是 Daniel Larimer，由于他的 GitHub 昵称是 ByteMaster，所以才被称作 BM。BM 是⽐特股、Steemit、EOS 项⽬的创始⼈。与年少成名 V 神的辍学经历不同，BM 2003 年毕业于弗吉尼亚理⼯学院，获得计算机学⼠学位，算是正经的科班出⾝。
BM 曾直⾔不讳地说到：“我的⼈⽣⽬标就是找到⾃由市场的⽅案来保护⽣命、⾃由和财产”。他认为要达成这个⽬标，就必须要从货币开始。我们在数字货币⼀节提到过，⽆论是贵⾦属还是信⽤货币，都是历
史的必然，所以在选择使⽤什么货币上，BM 认为不⼀定是美元，他希望的是：构造⼀种⾃由安全的数字货币。
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2009 年，他怀揣梦想开始了数字货币的事业，他先发现了⽐特币，于是不遗余⼒地推⼴着这个项⽬。然⽽在 2010 年，BM 指出中本聪10 分钟⼀次的交易确认时间太长了，这样的话，性能会是⼀个瓶颈，然⽽这样的想法却遭到了中本聪的暴击：看不懂就算了，我没时间搭理你。
于是，BM 觉得⽐特币不是希望，便着⼿开发第⼀个项⽬——⽐特股，同时创造出 DPoS，把⾃⼰的⾼性能共识算法形成了实践。在这⾥，我们可以看出 DPoS 与其他共识机制的第⼀个区别，就是交易确认时间短。
2014 年，当 V 神还在到处奔⾛，开始发起以太坊项⽬的众筹时，当很多项⽬还是基于⽐特币的微创新时，⽐特股就已经横空出世了。所以⽐特股⼀跃成为了当时的明星项⽬，它的⼝号是“Beyond Bitcoin”，在这⾥我们可以感受到极强的攻击性和⽬的性，也正因为如此，⽇益强⼤的⽐特币社区被树在了它的对⽴⾯。薏米红豆粥的做法
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文具盒图片⽐特股⼀共有 2 个版本，⽐特股在 1.0 版本之前，某些版本甚⾄都没有提供向下兼容。虽然后来正式发布了 1.0 版本，似乎并没有改善多少。糟糕的使⽤体验，庞⼤的系统资源开销，还是让尝鲜的⽤户逐渐流失了。这时候 BM 利⽤了⾃⼰⼿⾥超过 1/3 的记账节点，在没有达成社区共识的情况下，强⾏
增发了⽐特股总量。这⼀招⼏乎就是⽐特股项⽬的灭顶之灾，社区⼈就此纷纷退出。
虽然社区萎靡，BM 还是继续了开发⼯作，将⽐特股升级到了 2.0，它的易⽤性和稳定性勉强可以满⾜正常使⽤。随着⽐特股 2.0 的发布，BM 也同时发布了⽯墨烯⼯具箱。尽管在技术上提供了改进，但⽐特股社区最终选择让 BM 离开⽐特股项⽬，⽐特股回到了另⼀位币圈⼤佬——巨蟹的⼿⾥。随后⽐特股的发展陷⼊了长期的低迷，长期在 2 分，最多到 2 ⾓钱左右，直到去年的⽜市，⽐特股涨到过 2 元⼈民币。
虽然最终离开了⽐特股，但是 BM 依然会参与 BTS 紧急 Bug 修复⼯作。与此同时，BM ⼜开发了⼀款旨在颠覆传统互联⽹媒体⾏业的项⽬——Steemit，这也是开辟了基于区块链 Token 内容社区的先例。Steemit 也是基于⽯墨烯技术的，它⾮常流⾏。2017 年，随着Steemit 的成熟，BM 宣布退出了 Steemit，开展了下⼀个项⽬ EOS。
EOS 的⽬的是要做出区块链⾏业的操作系统，为开发者提供底层功能，包括并⾏运算、数据库、账户系统等等。EOS ⼀经发布，就⼴受关注，短短五天内，EOS 便筹集到了数亿美⾦，它的代币销售规模在⽬前为⽌是最⼤的。
现阶段的 EOS 超级节点竞选也体现出了 BM 强⼤的影响⼒。 EOS 项⽬影响⼒也越来越⼤，BM 因为与 V 神在区块链上的理念不合，也经常互怼，他们争论的重点是⼆⼈对于去中⼼化的前提假设不同，
这也造就了两个不同的设计逻辑，所以，两⼈的争论过程可以说是⾮常地吸引眼球了。
十地我们从 BM 的个⼈经历、项⽬经验、影响⼒都可以看出 BM 是⼀个很懂⾦融的天才式程序员，同时也是⼀个有点刚愎⾃⽤导致与社区⽭盾不断的意见领袖。
DPoS 详解
讲完了 BM 的故事，我们再来讲讲 DPoS。简单来理解，DPoS 共识算法就是将 PoS 共识算法中的记账者转换为指定节点数组成的⼩圈⼦，⽽不是所有⼈都可以参与记账，这个圈⼦可能是 21 个节点，也有可能是 101 个节点，这⼀点取决于设计，只有这个圈⼦中的节点才能获得记账权。
这将极⼤地提⾼系统的吞吐量，因为更少的节点也就意味着⽹络和节点的可控。
南昌区号1.DPoS 共识的⽬标
从名称上，我们也可以判断出 DPoS 与 PoS 共识是直接关联的。DPoS 算法是 BM 根据当时 PoW、PoS 的不⾜⽽改进的共识算法，它的⽬的就是为了提⾼性能，也就是交易确认时间短。在 PoS 共识中，⼈们使⽤财产证明来“挖矿”，也就是说，这是任何⼈都可以参与的，只要你持有币，你就可以参与挖矿。
但是我们可以看出，PoS 并没有解决性能问题，在这⾥我们直接认为提⾼性能就是提⾼ TPS，我们可以构造⼀个等式，：
TPS = transactions / block_time
TPS 表⽰区块链每秒能确认的交易数， transactions 是由区块⼤⼩ block_size 和平均每笔交易⼤⼩决定的，⽽区块⼤⼩受全⽹⽹络状态network_bandwidth 限制，也是由记账节点之间处理性能 witness_performance 决定的。记账节点的个数 witness_count 直接决定了物理带宽的上限，因为记账节点数量越多，则对物理带宽要求越⾼，对⽹络的稳定性要求也越⾼。要注意的⼀点是在 DPoS 中，记账节点不叫做矿⼯，⽽是改称为见证⼈Witness。所以这个公式变成了下⾯的样⼦。TPS = (block_size * network_bandwidth *
witness_performance) / (block_time * witness_count)
我们可以看到，要提⾼ TPS，可以提升分⼦项，降低分母项，也就是增⼤区块⼤⼩ block_size、提升记账节点⽹络带宽
network_bandwidth、提升记账节点处理性能 witness_performance，减⼩区块时间 block_time、减⼩记账节点数量 witness_count。
分⼦项我们可以看到，它基本受限于物理资源的上限，⽬前⼯业⽔平制造的物理资源的使⽤上限基本就是整个项的上限了，所以可操作性不⼤。⽽分母项是由共识算法决定的，所以我们从区块时间，以及记账节点数⼊⼿，DPoS 算法便正是从这两项着⼿的。⾸先改动的便是限制记账节点的数量，也就是见证⼈的数量。
我们在 PoW 和 PoS 中可以看到，成为记账节点是⽆需门槛的，你可以随时参与挖矿，随时退出。那这会带来什么问题呢，⾸先⽆法确定记账节点的数量，其次⽆法确定记账节点之间的⽹络环境，记账节点数越多⽹络环境越复杂，这些不确定性会增⼤⽹络分区的概率，从⽽导致区块链分叉。
如果我们事先规定好记账节点的数量，接着让全⽹所有节点可以投票决定哪些节点可以成为记账节点，这样就限制并减⼩了分母项
witness_count，这个过程我们也称作投票选举。
因为记账节点数量不多，那么我们可以在共识算法中可以规定出块时间为⼀个固定值，这个值可以很⼩，通过轮流出块的⽅式来进⾏记账。以上思路基本就是 DPoS 的基本设计思路，BM 还为 DPoS 算法确⽴两个原则：
1. 投票选举过程⼀定要保证最⼤权益所有者最终能控制全⽹，因为⼀旦出了问题，他们的损失最⼤；
2. 与 PoW、PoS ⼀样，所有节点仅承认“最长”链。
这两个原则确⽴了 DPoS 共识的基本特性，第⼀条放⼤了 PoS 共识使⽤者就是记账者的优点，第⼆点则规定了分叉时系统应该表现的⾏为。
2.DPoS 共识算法分析
在 DPoS 共识算法中，区块链的正常运转依赖于见证⼈ (Delegates)，见证⼈是由全⽹节点投票产⽣的，见证⼈也是记账节点的实际控制⼈，相当于咱们选课代表，课代表帮我们整理作业。
见证⼈在完成打包交易的同时可以领取区块奖励和交易的⼿续费，并且可以执⾏社区投票的提案，所以 DPoS 共识算法不仅仅是算法，⽽是⼀个包含了协作治理关系的共识机制。我们可以引⽤“DPoS 算法⽩⽪书”中的内容，来看看 BM 设计 DPoS 算法是怎样的思路。
BM 认为所有区块链实际是建⽴交易之上的确定性状态机。共识是在确定交易顺序，过滤⽆效交易的⼀个达成⼀致意见的流程。DPoS为了尽快确定交易顺序，过滤⽆效交易，所以规定了在正常情况下，所有记账节点轮流每 3 秒产⽣⼀个区块，轮到了某个记账节点出块时，必须在 3 秒内提交区块，否则就会错块。
假设⼀直没有记账节点错过⾃⼰顺序，那么他们⽣产的链条势必是最长的链条，如果记账节点在⾮指
定时间⽣产区块被认为是⽆效的，每经过⼀轮，所有节点轮流出块的顺序就会发⽣重新洗牌。
下图就是⼀个理想的轮流记账状态。
DPoS 算法⽩⽪书介绍了 7 种异常的情况会打破上⾯的正常情况。例如少数记账节点发起恶意分叉或者发⽣故障，如下图。
在这种情形下，B 节点只能在 9 秒内⽣产 1 个块，⽽⼤多数分⽀，由于数量多⼀倍，将预期能在 9 秒内⽣产 2 个块，诚实的 2/3 的⼤多数可以⽐⼩的那⼀部分创建⼀个更长的链条，由于原则⼆，DPoS 可以抵御这种攻击。在 DPoS ⽩⽪书中介绍了少数记账节点恶意或故障造成的分叉、⽹络分区情况下重复出块、少数记账节点重复出块、记账节点数量不⾜、多数记账节点的联合腐败等各种情况。
遗憾的是⽩⽪书中的内容没有经过严格证明，以定性分析为主，所以我们⽆法确定 DPoS 算法是否有
设计缺陷。在实际应⽤中，⽐特股中见证⼈是 101 ⼈，EOS ⾥是 21 ⼈。⽐特股中见证⼈们赚取⼿续费，EOS ⾥见证⼈们分享 EOS 的通胀收益。他们都是通过公开选举选出来的，选票就是⼤家⼿⾥的⽐特股或 EOS。
3. 有关 DPoS 的⼀个争论：中⼼化问题。
我们之前⽂章中提过的 FLP 和 CAP 定理，如果为了提升性能，即⼀致性的效率，势必会牺牲其他两项。这也会引出有关 DPoS 的⼀个争论：中⼼化问题。
我们以⽐特股社区为例，每个⼈都可以尝试成为 101 个见证⼈节点中的⼀个，他们可以在社区⾥拉票，为社区做事，或者⼲脆⽤钱买很多bts。平时⼤家象征性地开个会，因为是轮流记账，各个节点之间竞争不⼤。
但是不要忘记，区块链的发展⾮常依靠社区，这种⽅式势必会带来社区的中⼼化。虽然⽐特股中 101 个见证⼈负责记账，但总得有⼈指定发展⽅针，于是⼜设计出了 11 ⼈理事会，这同样是通过选票选出来的。
11 ⼈理事会有很⾼的权⼒，他们相当于 11 个超级节点，通过举⼿表决，甚⾄可以决定修改代码，⽽这 11 ⼈理事会是⽐特股系统⾥的中⼼，也是规则的制定者。这是 DPoS 算法的优势，也是 DPoS 算
一重山法的劣势。在 PoW 中，矿⼯、开发者、⽤户三权分⽴。⽽ DPoS 似乎将这三权合并到了见证⼈和理事会⼿中。在 EOS 中，BM 还制定了区块链宪法，要求所有记账节点必须遵守，所以也有⼈抨击这是具备了BM 特⾊的去中⼼化。
从某种⾓度来看，DPoS 是社区治理加上共识算法，不再是单纯的技术共识，这是与 PoW、PoS 算法最⼤的不同。DPoS 的基本假设是相信节点是好的，所以尽可能快速选择记账节点，⽽把问题发⽣后的修复过程推迟到投票中，可以说 DPoS 并不考虑拜占庭容错问题，把拜占庭容错推给了社区治理，⽽在社区治理上可归纳为⼀切皆投票。
⽽现实⽣活中，很多情况下，投票并不能解决问题，⽐如投票⼈都是有惰性的，集齐所有⼈投票成本是很⾼的，如果记账节点没有上限，所有节点的投票都投给⾃⼰，DPoS 系统就会退化成 PoS 系统。
