- 区块链共识算法确保所有网络节点在共享账本上达成一致，而无需依赖中央机构。
- 工作量证明和权益证明使用不同的资源和激励模型来保障区块创建和验证者的行为。
- 共识机制是区块链支持货币、应用程序和长期网络安全的基础。
区块链共识算法，解释了 PoW 和 PoS 如何保障加密货币的安全，防止双重支付，并使去中心化网络能够达成一致。
区块链共识算法与加密货币
区块链共识算法在加密货币的运作中扮演着基础性的角色。在加密货币系统中，用户余额记录在一个名为区块链的共享数据库中。为了维护整个网络的一致性，每个参与者——更准确地说，是每个节点——都必须维护该数据库的完全相同的副本。
如果不同的节点持有相互矛盾的记录，网络将很快失去一致性，从而破坏去中心化货币体系的根本目的。
公钥加密技术确保用户无法花费不属于自己的代币。然而，仅靠加密技术并不能完全解决问题。网络仍然需要一个统一且被普遍接受的权威机构来判断资金是否已被花费，从而在不依赖中央权威的情况下防止双重支付。
为了应对这一挑战，比特币的创造者中本聪引入了工作量证明（PoW）系统，以此来协调去中心化环境中的参与者。虽然PoW只是其中一种实现方式，但许多现代共识机制都共享一套源自PoW的核心设计原则。
首先，希望添加新区块的参与者（通常称为验证者）必须进行某种形式的质押。这种质押代表着为防止不诚实行为而承担的风险。如果验证者试图作弊，他们将失去所质押的资产。根据系统的不同，这种质押可以是计算资源、加密货币，甚至是积累的声誉。
参与者为何愿意将自身资源置于风险之中？答案在于激励机制。验证者会因其诚实参与而获得奖励，奖励形式通常包括原生协议代币、用户支付的交易费、新发行的货币单位，或这些奖励的组合。
最后，透明度至关重要。系统必须能够检测出不诚实的行为。理想情况下，生成区块的成本应该很高，而验证区块的成本应该相对较低。这种不对称性确保了普通用户可以有效地监督验证者，从而加强问责制并维护整个网络的信任。
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共识算法的类型
📌 工作量证明（PoW）
区块链共识算法最初通过工作量证明（PoW）获得广泛认可，PoW 通常被认为是最初也是最具影响力的共识模型。虽然比特币使 PoW 流行起来，但其基本概念早于加密货币多年。
在工作量证明（PoW）系统中，验证者（通常被称为矿工）通过反复哈希运算，竞争将新数据添加到区块链中，直到找到有效解决方案。
哈希值是一串看似随机的字母和数字，它是数据经过哈希函数处理后生成的。重要的是，相同的输入总是会产生相同的输出。然而，即使输入数据发生最小的变化，也会导致哈希值完全不同。
正因如此，哈希值在证明特定数据在某个时间点已知方面非常有用。可以先分享哈希值，之后再公布原始数据，让其他人通过运行相同的函数并确认输出结果匹配来验证其真实性。
在工作量证明（PoW）系统中，协议定义了区块的有效性标准。例如，协议可能要求区块的哈希值以特定数量的前导零开头。矿工找到符合要求的哈希值的唯一方法是暴力破解——反复调整数据中的某些参数并重新进行哈希运算，直到产生有效结果为止。
在主流区块链网络中，这些要求都被有意设定得非常高。为了有效竞争，矿工通常依赖于装满专用硬件（称为ASIC，即专用集成电路）的仓库，这些ASIC是专门为哈希运算而设计的。
在工作量证明（PoW）机制中，矿工的“权益”包括硬件的初始成本以及运行硬件所需的持续电力成本。由于ASIC矿机除了加密货币挖矿之外几乎没有其他用途，因此收回投资的唯一途径就是成功挖出区块。如果矿工成功地将一个有效区块添加到区块链中，他们将获得相应的奖励。
从网络的角度来看，验证一个区块的有效性相对容易。即使一个矿工需要尝试数万亿种组合才能找到正确的哈希值，其他节点也只需要对数据进行一次哈希运算。如果得到的哈希值符合协议要求，则The Block被接受，矿工获得奖励。否则，The Block被拒绝，所有花费的时间和精力都将付诸东流。
>>> 延伸阅读：什么是工作量证明（PoW）？
📌权益证明（PoS）
权益证明（PoS）在比特币早期就被引入，作为工作量证明（PoW）的替代方案。与PoW不同，PoS系统不依赖矿工、专用硬件或大规模能源消耗。原则上，参与者只需要一台普通的电脑。
尽管如此，PoS 仍然需要参与者投入资源。PoS 不依赖于电力和硬件等外部资源，而是依赖内部资源——加密货币本身。虽然具体规则因协议而异，但验证者通常需要持有并锁定最低金额的资金才能获得质押资格。
这些资金被锁定在钱包中，在质押期间无法转移。验证者们共同决定哪些交易应该包含在下一个区块中。实际上，参与者是在质押哪个区块将被选中，协议会据此选择一个区块。
如果验证者提议的区块被选中，他们将获得一定比例的交易手续费，比例与其质押资金成正比。锁定资金越多，潜在奖励就越高。然而，如果验证者试图通过提议无效交易来作弊，他们部分或全部的质押资金可能会被没收。这形成了一种类似于工作量证明（PoW）的激励机制——诚实行为比不诚实行为更有利可图。
在许多权益证明（PoS）系统中，新创建的代币不会作为验证者奖励发放。因此，区块链的原生代币必须通过其他机制进行分发。这些机制可能包括初始分发，例如首次代币发行（ICO）或首次交易所发行（IEO） ，或者先采用工作量证明（PoW）机制启动网络，然后再在后期过渡到PoS机制。
目前，纯粹基于权益证明（PoS）的系统大多部署在规模较小的加密货币网络上。因此，PoS 能否大规模完全取代工作量证明（PoW）仍不明朗。虽然该模型在理论上看似合理，但实际应用中却会引入更多复杂性。
一旦PoS机制部署在具有重要经济价值的网络中，该系统实际上就变成了博弈论和激励机制设计的活生生的实验场。任何了解如何利用系统漏洞的参与者，只要有利可图，都可能试图这样做。最终，判断PoS机制是否能够大规模应用的唯一方法，就是观察其在实际环境中的表现。
>>> 延伸阅读：什么是权益证明（PoS）？
区块链共识算法结论
共识机制是分布式系统运行的基础。许多人认为比特币最重要的突破在于其工作量证明（PoW）机制的使用，该机制使参与者能够在不依赖中央权威机构的情况下就一组共享事实达成一致。
如今，共识算法的作用远不止于支持数字货币系统。它们是区块链本身的基础，使开发者能够在去中心化网络上运行代码和应用程序。因此，共识算法已成为区块链技术的基石，也是去中心化网络长期生存的关键因素。
〈 什么是区块链共识算法？ 〉 本文文章首发于《 CoinRank 》。
