公链核心要素分析、共识机制优缺点、痛点

公链是区块链的底层协议，是区块链世界的“操作系统”。 它为各种应用的开发提供基础技术支撑，是未来区块链技术应用的核心基础。 经过比特币公链1.0和以太坊公链2.0的探索，公链3.0正着力解决系统可扩展性、安全性和监管兼容性问题，以承载大规模商业应用。 同时，公链3.0仍需保留区块链的开放性和自治性。 不同于互联网的架构，区块链底层协议的价值远超应用层。 底层公链仍将是现阶段区块链行业关注的焦点。 每条公链都具有可扩展性、适用性、共识理念，以及应用生态建设的竞争将长期持续。

1.公链1.0-比特币

比特币在设计之初就被定位为支付工具，只能进行价值传递。 因此，中本聪大大删除了很多脚本指令，因此其安全性极高。 但是，比特币的脚本语言是图灵不完备的，不能执行循环语句，扩展性差。 许多高级应用程序无法构建在比特币脚本之上。

2.公链2.0-以太坊

以太坊是一个具有图灵完备脚本的公共区块链平台，被称为“世界计算机”。 除了价值转移，开发者还可以在以太坊上创建任意智能合约。 以太坊通过智能合约拓展了区块链商业渠道，如为众多区块链项目发行代币、智能合约开发、去中心化DAPP开发等。 目前，基于以太坊的 DAPP 已经超过 1000 个。 但目前以太坊网络存在扩展性不足、安全性差、开发难度高、过度依赖手续费等问题。 区块链的大规模商用遇到了发展瓶颈。

3、公链3.0——大规模商用

公链3.0定位于大规模商用，关联真实资产和真实价值，促进实体经济发展。 目前角逐区块链3.0的公链项目有EOS、Cardano等，但这些公链项目大多处于理论论证和测试阶段，少数项目已经完成主体开发。链尚处于早期探索阶段。 技术储备充足、财力雄厚的公链2.0，意味着以太坊仍在不断自我迭代，准备利用Plasma、Sharding、Casper等技术大幅提升以太坊的处理性能。

公链是未来所有区块链商业应用的基础设施。 在现有的技术中，涉及到共识机制、智能合约、跨链技术、侧链技术、兼容性和可扩展性等，这些技术的组合直接影响着公链的基本性能，包括节点数量维持公链正常运行、交易处理速度、应用开发难度。 区块链底层平台技术的发展具有技术结构复杂、开发难度大、开发周期长、争议较大等特点。

围绕公链底层技术，形成了区块链钱包、区块链浏览器、节点选举、矿机、矿池、开发组件、开发模块、技术社区、项目社区等一系列生态系统。 这些生态系统的完善程度直接决定了公链的效率和效果。

目前市场上整体生态较为成熟的项目有ETH、NEO等，但这些项目尚不能支持高频商业应用以太坊价格波动，因此市场一直在探索适合商用的公链。

区块链底层技术平台仍处于不断创新、逐步完善的阶段。 目前的技术水平还不足以对现实世界产生巨大的影响，进入实际的大规模商业化阶段。 在目前区块链底层平台的研发过程中，共识机制、中心化与去中心化、交易处理速度和安全性等问题最为关注，讨论也最为激烈。 但是，未来如何做到高效、安全、去中心化，大家对全球化的平台还没有达成共识。

公链的核心要素

互联网世界的核心资源要素包括三个方面：存储资源、传输资源和计算资源。 区块链技术作为互联网技术的延伸，与互联网有着很大的关联。 同时，区块链是信任的机器。 互联网除了传递信息的功能外，还承载着价值传递的使命。 因此，区块链世界的核心资源要素可以归结为存储资源、传输资源、计算资源和共识机制。 由此产生的信任资源有四个方面。

业界通常将区块链架构分为五层，即数据层、网络层、共识层、合约层和应用层。 我们将核心技术要素细化为五个维度，包括可扩展性和传输技术、系统安全性、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。

共识机制的优缺点

主流公链采用的共识机制有：PoW、PoS、DPoS和PBFT。 简介如下：

工作机制证明

工作量证明（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，电脑的性能越好，分配给矿工的地雷就越多。 代表币种：现阶段的BTC、LTC和ETH。

股权证明

Proof of Stake (PoS)：类似于银行的财产存储，这种模式会根据你持有代币的数量和时间分配相应的利息给你。 简单来说就是谁的币多（需要在线钱包）谁就有发言权，所以PoS就是根据在线钱包持有的币的比例来证明谁有发言权。

授权权益证明 D

Elected Proof of Stake（DPoS）：让每个持有某种资产的人进行投票，从而产生一定数量的代表，然后选出的代表按照一定的机制产生区块。 从某种角度来看，DPoS 有点像议会制。 如果代表不能履行职责（如作弊等），他们将被罢免，网络将选举新的节点来取代他们。 代表币种：EOS。

实用的拜占庭容错算法

PBFT Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT)：PBFT是一种状态机副本复制算法，即将服务建模为状态机，将状态机复制到分布式系统的不同节点上。 状态机的每一个副本保存了服务的状态，同时也实现了服务的操作。 用大写字母R表示所有副本的集合，用0到|R|-1之间的整数表示每个副本。 为了描述方便以太坊价格波动，假设|R|=3f+1，其中f是可能失败的最大副本数。 专属币种：NEO。

除了上述共识机制外，还有各种改进的共识机制，包括租用共识机制LPoS（通过该机制，代币持有者可以将自己的代币借给全网节点的矿工并获得分红收益）、动态权益共识协议（DSC，通过动态选举若干记账人，然后采用PBFT方式在所有记账人之间进行交易共识），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的增强版共识引擎实现近乎无限可扩展性，只需要少量的计算，产生一个几乎不会分叉的区块链网络，OCE支持可插拔验证器，在线协议修复/升级）等。

主流共识机制的特点优缺点分析如图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，算力的过度集中最终导致社区中心化发展，矿霸事件频发，容易受到51%攻击导致交易回滚，以及用户资产丢失； 同时，可扩展性比较低。 弱、性能低，此外，大量重复计算导致的高能耗也是PoW被诟病的原因之一；

对于PoS和DPoS来说，这种不需要消耗太多算力就可以达成共识的机制可以弥补上述PoW的缺陷，但是依靠代币数量获取区块已经形成了新的中心化趋势，且实现过程复杂，容易分叉，需要运行大量节点来保证公链网络的正常运行，对网络流量造成较大压力，且存在安全漏洞中间步骤。

1.区块确认时间较长

比特币平均10分钟出一个区块，大概需要6次区块确认，区块确认时间约为60分钟； 以太坊平均15秒出一个区块，需要大约12次区块确认，区块确认时间约为3分钟。 区块确认的完成意味着当前的交易处理已经完成，全网都有记录。 按照这个方法，比特币的TPS（transactions per second）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

显示。

按照目前传统商业应用的处理速度，现有区块链平台项目的交易处理速度尚不能支撑大规模商业应用。 虽然在不断探索和发展，但区块链必须真正进入商业应用。 ，还有很长的路要走。 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

自从数字货币出现以来，人们就一直在批评其疯狂的价格波动。 在过去的六个月里，BTC 的价格波动超过 300%，ETH 的波动超过 400%，部分小币种的波动甚至超过 1500%。 与其他金融资产和法币相比，数字货币价格波动较大的主要原因有以下三点：

1）监管漏洞大

数字货币存在较大的监管漏洞，是其价格波动不稳定的主要原因。 每一个新兴的技术产品在技术和道德层面上都有使用伦理。 从技术角度来看，任何用户只要不违反技术规则和规范，都属于正常使用。 但是，从道义上讲，将技术用于非法目的显然是任何国家和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在技术层面保持区块链的“去中心化”和“匿名化”特性； 并在道德层面与政府和司法部门合作，以达到监管目的所必需的。

2）投机心态弥漫

以比特币、以太坊为代表的数字货币，并不是某些人想象中的“庞氏骗局”或“郁金香热”，而是具有技术价值和金融实用价值的数字资产； 但几乎没有门槛的ICO，使得各类区块链项目被拼凑起来，空壳而无实质。 有的ICO项目直接导入国外开源项目的代码，稍微改动几个参数，就可以上线赚钱。 此类项目吸引了大量投机者。

有投机者买了某个ICO代币，短时间内翻了60倍，他的本金只有10万。 这个规模的回报率，已经远远超出了合理范围。

3）技术本身还不成熟

目前公链存在很多问题。 区块预设容量过小，扩容方案存在缺陷； 转账交易速度慢，大量交易被搁置； 通过对特定网络端口的攻击，可以破坏区块链的正常确认工作； 大量中心化矿场和交易所逐渐占据全网一半以上的算力，一旦这些平台被黑，整个区块链网络可能面临生死考验； 等等。 技术不成熟意味着区块链网络可能面临攻击，其市场价格容易出现较大波动。

综上所述，大的监管漏洞往往会导致价格快速上涨，因为许多非法交易一直在助推价格走势； 浓厚的投机氛围是数字货币价格过山车走势的重要原因，每当有利空消息传出，价格就会回落或犹豫； 不成熟的技术使价格无法稳定在合理范围内，价格涨跌幅度较大。

3. 特殊场景无法保护隐私

当中本聪在 2009 年发明比特币时，他为无条件相互信任的参与者提供了一种协作方式，以维护交易和信息的规范和防篡改电子记录。 区块链后续公链均参考该方式，每个参与方都可以获得完整的数据备份，所有交易数据公开透明。 这是区块链的一个优势特性，但另一方面，对于很多区块链应用来说，这个特性是致命的。 因为在很多时候，不仅仅是用户自己希望自己的账户隐私和交易信息得到保护，对于商业机构来说，很多账户和交易信息都是这些机构的重要资产和商业秘密，他们不愿意与同行公开分享。

比特币对隐私保护的解决方案是通过隔离交易地址与地址持有者真实身份的关联来达到匿名的效果。 因此，虽然可以看到每条转账记录的发送方和接收方的地址，但无法对应到现实世界中的具体人物。 但这种保护非常薄弱。 通过观察和追踪区块链的信息，仍然可以通过地址ID、IP信息等追溯账户与交易之间的联系。