当 PoW 共识遇上确定性：PoW 共识还有未来吗？

随着区块链技术的发展，特别是低延迟链、跨链等新技术的不断探索，越来越多的最终性被讨论和研究。 在开始本文的讨论之前，让我们了解什么是确定性。

决定论的字面意思是不变性，这是一个比“去中心化”和“共识”更古老的概念。 从账本开始，它的确定性是可以讨论和定义的，而且这个确定性不面临任何技术问题，因为当时的账本都是中心化的（有信任中介），确定性和正确性一样，是信任的反映中介意愿。

直到区块链技术引入去中心化账本后，共识和确定性才成为技术问题，我们可能会面临确定性和共识无法同时实现的局面。

不同共识算法的确定性

根据目前的研究，我们评估了各种共识算法的确定性。

比如PoW没有绝对确定性（Absolute Finality），只有概率确定性（Probabilistic Finality），BFT有绝对确定性，Casper FFG有绝对确定性，YeeCo团队的俄罗斯方块共识有绝对确定性。

为什么不同的共识算法具有不同级别的确定性，以及哪些内在属性发挥作用？

确定性原则

共识的本质是什么？ 共识是想要达成共识的人达成共识的过程。 共识算法确保想要达成共识的人即使在存在沟通障碍或有人误导的情况下仍然可以达成共识。

这里有一个很有意思的点，有点文字游戏的意思，就是在某种共识机制中，“想要达成共识的人”作为前提出现（先确定谁想要达成共识，然后寻求共识), 并且在其他一些共识机制中作为共识的结果出现（达成共识也要说明范围，从不承诺所有人的共识）

例如，假设你要为整个公司组织一次晚宴，你需要就在哪里吃饭达成共识。 第一种方式的思路是，这件事只能由公司里“说了算的人”来决定。 选择这些人并投票，形成共识； 第二种做法的思路是，我们不知道公司有多深，不敢问到底是老板说了算，还是老板的秘书，还是扫地僧。 算了，还是先形成一个不成熟的共识吧，然后发表，等有权力的人改正吧。 如果公示时间足够长，相信最终会达成共识，形成共识。

目前来看，这两种方式都算是达成了共识，但是在确定性上表现如何呢？ 第一种方式的共识，已经是公司“说了算的人”的决定。 当时要么达成共识，以后就不用修改了，要么没有达成共识，悬而未决。 修改情况； 第二种方法的共识是不断修正。 被修正的成本更高，概率更低，但理论上还是可以修正的。

上面的例子实际上描述了 BFT 共识和 PoW 共识的区别。 用技术语言来说就是：BFT共识首先假设一个稳定的共识区间，在此基础上选择一致性强但活跃性低的机制。 强一致性可以达到绝对的确定性； PoW 共识不假设一个稳定的共识范围，认为共识参与者可以随时进入和退出。 在此基础上，只能采用高度活跃但只有最终一致性的机制，最终一致性无法实现绝对确定性，只能实现概率确定性。

因此，决定确定性的本质特征是共识范围，这也符合公众的直觉观念。 所谓共识区间，就是“谁说了算”。 “谁说了算”不确定，结果不修改你也不会相信。这就是大家所说的：生意谈“谁说了算”。

绝对确定性的需要

因为区块链上的交易往往对应链下世界的所有权转移（如支付、充值等），交易可以被修改，这对这些经济活动的破坏是致命的。 双花攻击的本质是使用 PoW。 肯定。

实际上，与链相关的应用程序仍然基于某些确定性标准运行，例如众所周知的比特币 6 次确认和以太坊 12 次确认。 但这个确定性标准并不完整。 大家可以回忆一下，当分叉、算力大战、攻击等发生时，钱包和交易所都会主动暂停交易，这意味着这些应用在这些特殊情况下评估 PoW 的确定性被削弱了。 ，所以主动调整n-confirm标准为无穷大确认。

跨链、多链分片也是链上关联应用的一种体现，但链间是相互应用，对确定性的要求高于链下应用，体现在两点：

区块链是一个按照既定程序运行的系统，不能像链下应用那样通过评估主动修改n-confirm标准。 在双花攻击中，链下应用很难找到足够大的交易。 收入不足，成本高。 双花其实很难被采用，但跨链时很容易在链上找到足够大的交易，收益增加。 双花变得有利可图。

因此比特币的一致性是一种强一致性，一方面，从支持应用的角度，链应该提供负责任的确定性，而不是将评估确定性的工作推给应用； 另一方面，从支持跨链的角度来看，确定性是其安全性的基石。 实现绝对确定性是必要的。

绝对确定性下的共识参与者博弈

单从共识的一致性来看，如果共识参与者仍然能够认同“谁说了算”（BFT中的选民集合，PoW中的算力），那么如果共识结果符合自己的意愿，每个人都会开心。 如果共识结果不符合自己的意愿，他们会选择“服从”； 如果共识参与者不再认同“谁说了算”，就会选择硬分叉。

引入绝对确定性后，我们来看看强一致性共识和最终一致性共识是什么意思。

对于 BFT 的强一致性共识，将强一致性和绝对确定性融为一体。 共识本身不存在重铸链的情况。 链条的重铸是由于干预而发生的。 如果通过硬分叉链分裂出一些投票者，旧链上的区块的确定性还是有保证的，但是分叉​​出一条新链，只要这条新链有用户，这些用户也认可老链上区块的确定性这个新链； 如果一群选民密谋通过硬分叉重铸链条，则先前的链条将被放弃。 似乎依赖于先前链的应用程序受到区块修改的影响。 事实上，这种影响是因为旧链的死亡，而不是因为旧链上区块的最终性被打破。

对于 PoW 等最终一致性共识，保留链的可重铸性以支持不稳定的共识范围。 如果引入绝对确定性，根据前面的讨论，必须额外引入一个稳定的共识范围，那么为了保证一个区块的确定性，PoW的运行方式不能只是最长链原则，而只能是“包含确定区块的最长链”原则，即即使大算力有重铸链的能力，也需要“服从”已经确立确定性的稳定共识范围，如果大算力算力不愿意服从，只能发起硬分叉，老链上的区块确定性还是有保障的。 大算力的服从意愿与“额外引入的稳定共识范围”的权威性有关。 计算能力已经成为一个非常复杂的情况。

通过诉求的情景分析，我们可以了解到，绝对确定性是不收敛的，是一致性的两个极端。 一个极端是不加修改地达成协议，另一种极端是不加协议就一分为二不加修改。 part，应用程序需要在两个部分之间做出选择，选择哪个部分会识别哪个部分的确定性。

由于存在两种极端情况，所以我们在设计确定性机制的时候，尽量让博弈结果平衡到不分裂的那种结果。 我们稍后会讨论 PoW 共识中的确定性设计。

综上所述，从应用的角度来看，绝对确定性的价值在于将区块变更的风险转化为区块链分叉的风险，进而影响共识参与者的博弈行为。 如果这种效果进一步降低了分叉的可能性，这是一种成功的确定性机制，对应用程序非常有价值。

PoW 共识中的确定性设计

经典的PoW共识坚持不稳定共识范围的设定，坚持最长链原则，保留大算力进来重铸链条以实现新的一致性的可能性。 如果我们仍然坚持这些，理论上是不可能建立绝对确定性的，我们的设计应该选择合理地突破这些限制。

PoW 的绝对确定性机制应该包括以下几点：

稳定的共识范围建立

上面说了，绝对最终性的本质要求是一个稳定的共识范围，那么怎么引入就是直接把PoW中不稳定的共识范围改造一下，把两者合二为一，或者引入一个新的，两者会跑边旁边？

稳定的共识范围对 PoW 的去中心化性质有多大影响，会不会削弱算力的力量，以至于这种 PoW 实际上退化为投票机制？

确定性建立的时机

我们是在建立一致性的同时，还是可以将其分开？ 如果分开比特币的一致性是一种强一致性，确定性延迟多久？ 理论上，延迟越小，建立一致性的不稳定共识范围（算力）越需要从属于建立确定性的稳定共识范围。 如何平衡呢？

稳定的共识区间如何实现激励相容

稳定的共识范围是通过某种机制选择的，比如Staking。 如果确定性投票决定了链条的走向，那么选民可以选择在两边投票，不会有任何损失。 这个是没什么风险（Nothing at stake）），如何通过激励机制来避免这个问题呢？

故障治理机制

确定性的建立是通过牺牲活性来换取强一致性，那么肯定会出现无法达成确定性共识的情况。 这种情况的好处是只是体现了对外界负责任的一面，并不能做到决定论。 确定的区块高度将不再增加，链下活动也可以相应暂停。 缺点是需要一套治理机制来解决共识失败的情况。

支持多链分片

链外应用程序需要安全地获取确定性信息。 常规方式是运行全节点，同步确定性共识结果并进行验证。 对于多链分片场景，每个分片一般运行全节点，是运行所有其他分片的轻节点。 这就涉及到一个问题，轻节点能否安全同步确定性共识结果，这是实现多链分片的重要问题。

另外，如果一个分片的链发生了分叉，其他分片如何统一识别哪条是原链，哪条是分叉链，并保证只与其中一条链进行统一交互。

YeeCo的CRFG（Conditional Reward Finality Gadgets）提出了一套在PoW共识上建立绝对确定性的解决方案，将在后续文章中详细介绍。