深入了解共識機制，對支付的影響和可擴展性的權衡｜重構精選知識

區塊鍊是分佈式點對點系統，任何人都可以訪問，但沒有一個實體可以擁有或控制它。與其說是使用受信任的第三方，不如說是通過共識機制來達成協議，使分佈式點對點網絡的協調成為可能。

不同分佈式各方之間的共識就是集中式系統中的公司治理，因為這兩個過程都涉及協調不同各方的行動，並就任務和決策達成協議。對於區塊鏈支付網絡來說，正確處理、結算和驗證交易並防止重複消費是非常重要的。在區塊鏈中，達成共識是如何處理和結算交易的關鍵部分。

簡單地說，這關係到資源，在區塊鍊網絡中達成共識意味著能夠達成一個共同的狀態，同時保持網絡的分佈式性質。

所有開放的公共區塊鏈都是基於這樣的理念：即使有衝突，也應該能夠在分佈式網絡中達成共識，而不把控制權放在一個地方。工作證明（PoW）和獲取證明（PoS）是實現共識的兩種最著名的算法。在這篇文章中，我們從技術架構、協調機制和經濟激勵等方面來研究PoW和PoS，以了解它們的特點和權衡。

今天我們再次整理了“加密的思想領袖“系列專欄的內容，跟大家深入探討發現共識機制對支付的影響和可擴展性的權衡。

分佈式系統已經存在了很長時間了。分佈式系統在其最簡單的形式下，是一個計算機的集合，共同完成一個共同的目標。但它們與區塊鏈有什麼聯繫？

嗯，如果沒有分佈式系統的發展，區塊鏈所取得的所有進步首先是不可行的。區塊鏈本質上是一種新的分佈式系統。在一個分佈式系統中，幾個進程（如計算機）相互溝通，共同實現一個共同目標（如解決一個計算問題）。

The Merge在整個加密社區已經討論了一段時間，該事件在2022年9月成功完成。合併可以說是以太坊歷史上最大的技術升級，是以前被稱為“以太坊2.0”的更大轉型的一部分，這個過程還包括以太坊網絡的共識機制從工作證明（PoW）過渡到權益證明（PoS）。

▵區塊鏈內涉及的各層的堆棧

區塊鍊是一個點對點的分佈式數據庫，用於維護記錄。共識算法是必不可少的，因為區塊鍊是分佈式系統，在將數據記錄在區塊鏈上之前，沒有中央機構檢查數據。誰來發布後續區塊的決定是區塊鏈技術的一個重要組成部分。這個問題通過將幾種共識模式中的一種付諸實施來解決。

在無權限的區塊鍊網絡中，通常會有許多節點同時競爭發布下一個區塊。這樣做的通常動機是為了賺取以加密貨幣和/或交易費用支付的獎勵。它們通常是不同的、獨立的服務器，只能通過公共地址進行通信。每個節點的動機可能是貨幣收益，有時不是其他發布節點甚至是網絡的福利。區塊鏈技術通過使用共識模型，使人們有可能在相互不信任的情況下進行合作。

在分佈式系統中建立共識是具有挑戰性的，因為共識算法需要經受住節點故障、網絡分割、消息延遲、失序的消息到達和損壞的消息攻擊。他們還必須應對自私的和有目的的惡意節點。為了解決這個問題，目前的研究文獻中已經開發了幾種算法，每一種算法都對同步性、消息廣播、故障、惡意節點、性能和消息安全性做出了必要的假設。通過實現共識，區塊鍊網絡可以確保網絡中的每個節點都同意區塊鏈的相同全球狀態。一個共識協議的適用性和有效性可以根據三個基本特徵來評估：

• 安全性：如果所有節點都產生相同的輸出，並且輸出按照協議的要求是有效的，那麼共識機制被認為是安全的。

• 有效性：如果所有參與的、無故障的節點最終都能產生一個值，那麼共識協議就能保證其有效性。

• 容錯性：如果一個共識協議能夠在一個參與的節點發生故障時恢復，它就提供了容錯性。

根據不同區塊鏈背後的開發者和他們各自對共識機制的選擇，一些共識過程可能會優先考慮效率和速度，而另一些可能會優先考慮安全性。支付可能受益於更快的共識形成技術，儘管更安全的共識過程在某些情況下可能是有益的，如供應鏈管理或高價值交易。

共識方法結合了Sybil抵抗機制，這是一種保護網絡免受攻擊者通過聚集網絡的大多數投票權而獲得控制權的方法，同時也結合了鍊式選擇規則（又稱叉子選擇規則）。在多個區塊佔據同一位置的情況下，鍊式選擇規則使節點能夠在鏈的頭部選擇一個正確的區塊。例如，比特幣使用最長的鏈規則，這意味著區塊鏈的最長版本被節點的參與者認為是有效的。對於PoW鏈，最長的鍊是由鏈的總累積PoW難度決定的（將在下文PoW部分具體解釋）。

在加密貨幣領域最知名的Sybil攻擊是“51%攻擊”，攻擊者控制了網絡的大部分計算能力，也稱為“哈希率”。在這種情況下，惡意行為者理論上可以影響交易的順序，阻止新交易的確認，並重複消費加密資產。抵禦這些攻擊對於分佈式區塊鏈的正常運行至關重要。 PoW和PoS是對Sybil攻擊的有效經濟威懾，因為它們要求用戶消耗能量或發布抵押品，以參與網絡驗證。每個驗證者或礦工都必須有“遊戲中的皮膚”才能參與到分佈式加密系統中，這是抵抗Sybil機制的關鍵所在。

PoW最早是在20世紀90年代初提出的，但中本聰（一個匿名的個人或團體）是第一個為數字貨幣實現該技術。 PoW是支持比特幣的一項重要創新。 PoW的非正式術語是“採礦”，這誤導了共識的主要功能。挖礦的真正目的是確保區塊鏈的安全，同時保持系統控制的分散性，並在盡可能多的參與者中分佈。

▵ Proof of Work

PoW使用雙重獎勵機制（區塊獎勵和交易費用）來激勵節點參與者在網絡上的積極性，確保網絡的可擴展性，同時保留其去中心化的特點。在比特幣區塊鏈上成功解開謎題的節點可以將他們的區塊添加到區塊鏈上，並獲得新的比特幣作為區塊獎勵（被稱為coinbase）。獎勵每四年減半。

目前，截至2022年11月，每個區塊發放6.25個比特幣作為獎勵，從2020年5月的12.5個比特幣減少到6.25個比特幣。 2024年，區塊獎勵預計將從每個區塊6.25比特幣減少到每個區塊3.125比特幣，代表下一個比特幣減半。節點參與者獲得的第二類獎勵是交易費。交易費越高，節點就越有可能驗證交易，導致交易時間加快。 PoW機制使許多節點參與到網絡中，這往往使網絡具有可擴展性。單個節點控製網絡並進行欺詐性交易的概率隨著網絡規模和hashrate而下降。這種方法有助於確保該機制足夠強大，以維護網絡安全。

在PoW中，礦工競爭產生一個數據塊，其中包括三個變量：等待驗證的新交易，前一個區塊的歷史，以及向礦工支付獎勵的新交易。當數據塊被加密"散列"後，這個數據塊必須滿足一個複雜的數學方程式。網絡維護著一個未經確認的交易池，礦工可以從中選擇任何他們想要驗證的交易。在將交易添加到他們的區塊中之前，礦工會檢查它是否有發送者的數字簽名，以及發送者是否已經在之前的交易中獲得了足夠的硬幣，該交易也被記錄在區塊鏈上的一個區塊中。

在PoW區塊鏈中可以使用不同的散列技術（例如，比特幣使用SHA256散列函數）。在SHA256散列函數中，一個區塊必須有一個256比特長的散列輸出，並以特定數量的前導零開始，才能有效（稱為難度）。通過增加一個被稱為nonce的數字並將其添加到區塊的數據中，礦工不斷地修改和散列區塊，每次都會產生一個獨特的散列輸出。當它找到一個nonce和一組滿足難度標準的交易時，礦工將該區塊廣播給其他礦工，以便他們可以驗證和接受它。當更多的礦工確認一個區塊的合法性時，他們會將其添加到他們的區塊鏈版本中，並開始挖掘一個新的區塊，並附加上先前區塊的哈希值。

比特幣的PoW系統每隔2016個區塊就會調整謎題的難度，導致區塊公佈率大約為每10分鐘一次。所需的前導零的數量根據謎題的難度而增加或減少。通過增加前導零的數量，網絡使謎題更加困難，從而減少了潛在解決方案的數量。通過這種變化，目標是保持謎題的計算複雜性，這是PoW區塊鏈的主要安全特徵。

在PoW區塊鍊網絡中，節點必須投入時間、資源和計算努力，為目標找到合適的nonce值。節點經常試圖解決這個具有計算難度的難題，以獲得某種形式的獎勵。獎勵系統或激勵模式是用來描述因擴展和維護區塊鏈而獲得補償的可能性的術語。在許多依靠PoW的區塊鍊網絡中，節點通常形成"池子"或"集體"，他們合作解決問題並分配獎勵。這是可能的，因為一個集體可以在兩個或更多的節點之間分工，以分配努力和獎勵。許多人說，這表明PoW鍊是多麼集中，但重要的是要記住，礦工可以停止向有不法行為跡象的礦池發送哈希值，因為這樣做不符合他們的最佳利益。

為了幫助解決PoW共識機制的局限性，減少維護區塊鍊網絡所需的計算資源數量，引入了PoS概念。雖然PoW和PoS都有相同的目標，即達成區塊鏈共識，但它們採取的過程是完全不同的。參與者不需要花費資源來解決計算密集型的證明，而只需要證明他們已經投了幣。 PoS “驗證者”承擔了“礦工”的角色，但他們不運行加密貨幣礦機，只需要持有和“押注”一定數量的PoS數字代幣或硬幣，以便參與驗證過程。在PoS中，新區塊被稱為“鑄造minted”或“偽造forged”，而不是“開採mined”。

▵ Proof of Stake

質押通常是區塊鍊網絡中的參與者通過各種方法投入到網絡中的加密貨幣的數量，如將其發送到特定的地址或通過特殊的交易類型鎖定它。賭注有可能出現流氓行為，並驗證錯誤的交易。儘管如此，一些協議已經實施了激勵機制來阻止這種行為。例如，在以太坊PoS模型中，惡意驗證者會受到懲罰，他們的押注的加密貨幣被沒收，並被禁止在未來進行質押。

區塊鍊網絡使用質押的方法可能有所不同，每個選項都包括其自身的權衡。作為一個例子，正在實戰區塊鍊網絡中使用的幾種方法包括代表系統、多輪投票、幣齡系統和隨機選擇被押用戶。在所有這些PoS模式的變體中，加密貨幣在被釘在系統中時，通常不再有其他用途的流動性。

從長遠來看，在PoS模式中，利益相關者的股權占區塊鍊網絡上被押注的加密貨幣總和的比例影響著他們發布新區塊的可能性。因此，擁有較大股份的用戶更有可能提出新區塊。由於PoS消除了驗證者不斷購買和升級硬件的需要，實現抗Sybil的能力幾乎不需要任何能源消耗，而且獎勵機制根據驗證者的網絡角色而不同。

例如，在目前的Ethereum PoS模式中，對區塊提案、同步委員會成員和證明的獎勵是根據賭注的數量和參與率高度變化的。這些網絡的設計使所有的加密貨幣已經分配給用戶，而不是以恆定的速度產生。要了解更多關於以太坊從PoW到PoS的過渡，請參考《合併，以太坊新時代的期待》 。

下表概述了工作證明（PoW）和權益證明（PoS）的基本區別/相似之處：

基於共識的安全性對於任何用於支付的區塊鏈的成功至關重要，特別是當用例涉及在網絡參與者及其網絡用戶之間轉移大量貨幣價值時。

因此，共識機制是在分佈式點對點網絡中由相互不信任的參與者組成的網絡中建立協議的關鍵過程。參與者可以近乎實時地為網絡提出和處理付款，並就分佈式賬本的狀態達成一致，因此了解共識方法的安全和去中心化屬性在全球分佈式環境中至關重要。共識建立方法幫助參與者達成協議，同時防止任何人控製網絡。