区块链共识机制(一)
区块链的底层有四部分构成
1、一个分布式的数据库用来存储以往和将来的交易数据，
2、密码学的公私密钥体系用来确认交易双方的身份，
3、P2P网络用来广播和蔓延各类消息（如节点加入消息，节点失效消息，得到挖矿数据的消息）
4、用来决定节点记账权利的共识机制。
区块链作为一种去中心化的分布式账本系统，由于点对点网络下存在网络延迟，各个节点所观察到的交易事务先后顺序不可能完全一致。 因此区块链系统需要设计一种机制对在一定的时间内发生的事务的先后顺序进行共识。这种对一个时间窗口内的事务的先后顺序达成共识的算法被称为“共识机制”。
共识机制在区块链分布式网络中可谓核心中的核心，被称为区块链的灵魂。一切失去共识的分布式网络都是没有价值的。
共识机制在区块链中扮演着核心的地位，共识机制决定了谁有记账的权利，以及记账权利的选择过程和理由。不用的虚拟货币采用共识机制不同，常见的共识机制如POW，POS，DPOS 拜占庭容错等。
| Virtual Currency | Mechanism |
|---|---|
| Bitcoin | POW |
| Ppcoin | POS |
| ShadowCash | POS |
| BlackCoin | POS |
| NuShares/NuBits. | POS |
| Ethereum. NXT | POW+POS |
| AntShares | dBFT |
POW
POW(Proof of Work)，即工作量证明机制。整个系统中每个节点为整个系统提供计算能力(简称算力)，通过一个竞争机制，让计算工作完成最出色的节点获得系统的奖励，也就是完成新生成货币的分配。
比特币的区块由区块头及该区块所包含的交易列表组成。区块头的大小为80字节，由4字节的版本号、32字节的上一个区块的散列值、32字节的Merkle Root Hash、4字节的时间缀（当前时间）、4字节的当前难度值、4字节的随机数组成。区块包含的交易列表则附加在区块头后面，其中的第一笔交易是coinbase交易，这是一笔为了让矿工获得奖励及手续费的特殊交易。
区块的大致结构如图所示：
拥有80字节固定长度的区块头，就是用于比特币工作量证明的输入字符串。因此，为了使区块头能体现区块所包含的所有交易，在区块的构造过程中，需要将该区块要包含的交易列表，通过Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash，并以此作为交易列表的摘要存到区块头中。
其中Merkle Tree的算法图解如下：
难度值
难度值（difficulty）是矿工们在挖矿时候的重要参考指标，它决定了矿工大约需要经过多少次哈希运算才能产生一个合法的区块。比特币的区块大约每10分钟生成一个，如果要在不同的全网算力条件下，新区块的产生保持都基本这个速率，难度值必须根据全网算力的变化进行调整。简单地说，难度值被设定在无论挖矿能力如何，新区块产生速率都保持在10分钟一个。
难度的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每2016个区块，所有节点都会按统一的公式自动调整难度，这个公式是由最新2016个区块的花费时长与期望时长（期望时长为20160分钟即两周，是按每10分钟一个区块的产生速率计算出的总时长）比较得出的，根据实际时长与期望时长的比值，进行相应调整（或变难或变易）。也就是说，如果区块产生的速率比10分钟快则增加难度，比10分钟慢则降低难度。
这个公式可以总结为如下形式：
新难度值 = 旧难度值 * ( 过去2016个区块花费时长 / 20160 分钟 )
工作量证明需要有一个目标值。比特币工作量证明的目标值（Target）的计算公式如下：
目标值 = 最大目标值 / 难度值
其中最大目标值为一个恒定值：
0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
目标值的大小与难度值成反比。比特币工作量证明的达成就是矿工计算出来的区块哈希值必须小于目标值。
我们也可以简单理解成，比特币工作量证明的过程，就是通过不停的变换区块头（即尝试不同的nouce值）作为输入进行SHA256哈希运算，找出一个特定格式哈希值的过程（即要求有一定数量的前导0）。而要求的前导0的个数越多，代表难度越大。
工作量证明的过程
我们可以把比特币矿工解这道工作量证明迷题的步骤大致归纳如下：
1、生成Coinbase交易，并与其他所有准备打包进区块的交易组成交易列表，通过Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash
2、把Merkle Root Hash及其他相关字段组装成区块头，将区块头的80字节数据（Block Header）作为工作量证明的输入
3、不停的变更区块头中的随机数即nonce的数值，并对每次变更后的的区块头做双重SHA256运算（即SHA256(SHA256(Block_Header))）
4、将结果值与当前网络的目标值做对比，如果小于目标值，则解题成功，工作量证明完成。
该过程可以用下图表示：
参考文章：
