- 區塊鏈共識算法確保所有網絡節點在共享賬本上達成一致，而無需依賴中央機構。
- 工作量證明和權益證明使用不同的資源和激勵模型來保障區塊創建和驗證者的行為。
- 共識機制是區塊鏈支持貨幣、應用程序和長期網絡安全的基礎。
區塊鏈共識算法，解釋了 PoW 和 PoS 如何保障加密貨幣的安全，防止雙重支付，並使去中心化網絡能夠達成一致。
區塊鏈共識算法與加密貨幣
區塊鏈共識算法在加密貨幣的運作中扮演著基礎性的角色。在加密貨幣系統中，用戶餘額記錄在一個名為區塊鏈的共享數據庫中。為了維護整個網絡的一致性，每個參與者——更準確地說，是每個節點——都必須維護該數據庫的完全相同的副本。
如果不同的節點持有相互矛盾的記錄，網絡將很快失去一致性，從而破壞去中心化貨幣體系的根本目的。
公鑰加密技術確保用戶無法花費不屬於自己的代幣。然而，僅靠加密技術並不能完全解決問題。網絡仍然需要一個統一且被普遍接受的權威機構來判斷資金是否已被花費，從而在不依賴中央權威的情況下防止雙重支付。
為了應對這一挑戰，比特幣的創造者中本聰引入了工作量證明（PoW）系統，以此來協調去中心化環境中的參與者。雖然PoW只是其中一種實現方式，但許多現代共識機制都共享一套源自PoW的核心設計原則。
首先，希望添加新區塊的參與者（通常稱為驗證者）必須進行某種形式的質押。這種質押代表著為防止不誠實行為而承擔的風險。如果驗證者試圖作弊，他們將失去所質押的資產。根據系統的不同，這種質押可以是計算資源、加密貨幣，甚至是積累的聲譽。
參與者為何願意將自身資源置於風險之中？答案在於激勵機制。驗證者會因其誠實參與而獲得獎勵，獎勵形式通常包括原生協議代幣、用戶支付的交易費、新發行的貨幣單位，或這些獎勵的組合。
最後，透明度至關重要。系統必須能夠檢測出不誠實的行為。理想情況下，生成區塊的成本應該很高，而驗證區塊的成本應該相對較低。這種不對稱性確保了普通用戶可以有效地監督驗證者，從而加強問責制並維護整個網絡的信任。
>>> 延伸閱讀： 6 種常見的區塊鏈共識機制
共識算法的類型
📌 工作量證明（PoW）
區塊鏈共識算法最初通過工作量證明（PoW）獲得廣泛認可，PoW 通常被認為是最初也是最具影響力的共識模型。雖然比特幣使 PoW 流行起來，但其基本概念早於加密貨幣多年。
在工作量證明（PoW）系統中，驗證者（通常被稱為礦工）通過反覆哈希運算，競爭將新數據添加到區塊鏈中，直到找到有效解決方案。
哈希值是一串看似隨機的字母和數字，它是數據經過哈希函數處理後生成的。重要的是，相同的輸入總是會產生相同的輸出。然而，即使輸入數據發生最小的變化，也會導致哈希值完全不同。
正因如此，哈希值在證明特定數據在某個時間點已知方面非常有用。可以先分享哈希值，之後再公佈原始數據，讓其他人通過運行相同的函數並確認輸出結果匹配來驗證其真實性。
在工作量證明（PoW）系統中，協議定義了區塊的有效性標準。例如，協議可能要求區塊的哈希值以特定數量的前導零開頭。礦工找到符合要求的哈希值的唯一方法是暴力破解——反覆調整數據中的某些參數並重新進行哈希運算，直到產生有效結果為止。
在主流區塊鏈網絡中，這些要求都被有意設定得非常高。為了有效競爭，礦工通常依賴於裝滿專用硬件（稱為ASIC，即專用集成電路）的倉庫，這些ASIC是專門為哈希運算而設計的。
在工作量證明（PoW）機制中，礦工的“權益”包括硬件的初始成本以及運行硬件所需的持續電力成本。由於ASIC礦機除了加密貨幣挖礦之外幾乎沒有其他用途，因此收回投資的唯一途徑就是成功挖出區塊。如果礦工成功地將一個有效區塊添加到區塊鏈中，他們將獲得相應的獎勵。
從網絡的角度來看，驗證一個區塊的有效性相對容易。即使一個礦工需要嘗試數萬億種組合才能找到正確的哈希值，其他節點也只需要對數據進行一次哈希運算。如果得到的哈希值符合協議要求，則The Block被接受，礦工獲得獎勵。否則，The Block被拒絕，所有花費的時間和精力都將付諸東流。
>>> 延伸閱讀：什麼是工作量證明（PoW）？
📌權益證明（PoS）
權益證明（PoS）在比特幣早期就被引入，作為工作量證明（PoW）的替代方案。與PoW不同，PoS系統不依賴礦工、專用硬件或大規模能源消耗。原則上，參與者只需要一臺普通的電腦。
儘管如此，PoS 仍然需要參與者投入資源。PoS 不依賴於電力和硬件等外部資源，而是依賴內部資源——加密貨幣本身。雖然具體規則因協議而異，但驗證者通常需要持有並鎖定最低金額的資金才能獲得質押資格。
這些資金被鎖定在錢包中，在質押期間無法轉移。驗證者們共同決定哪些交易應該包含在下一個區塊中。實際上，參與者是在質押哪個區塊將被選中，協議會據此選擇一個區塊。
如果驗證者提議的區塊被選中，他們將獲得一定比例的交易手續費，比例與其質押資金成正比。鎖定資金越多，潛在獎勵就越高。然而，如果驗證者試圖通過提議無效交易來作弊，他們部分或全部的質押資金可能會被沒收。這形成了一種類似於工作量證明（PoW）的激勵機制——誠實行為比不誠實行為更有利可圖。
在許多權益證明（PoS）系統中，新創建的代幣不會作為驗證者獎勵發放。因此，區塊鏈的原生代幣必須通過其他機制進行分發。這些機制可能包括初始分發，例如首次代幣發行（ICO）或首次交易所發行（IEO） ，或者先採用工作量證明（PoW）機制啟動網絡，然後再在後期過渡到PoS機制。
目前，純粹基於權益證明（PoS）的系統大多部署在規模較小的加密貨幣網絡上。因此，PoS 能否大規模完全取代工作量證明（PoW）仍不明朗。雖然該模型在理論上看似合理，但實際應用中卻會引入更多複雜性。
一旦PoS機制部署在具有重要經濟價值的網絡中，該系統實際上就變成了博弈論和激勵機制設計的活生生的實驗場。任何瞭解如何利用系統漏洞的參與者，只要有利可圖，都可能試圖這樣做。最終，判斷PoS機制是否能夠大規模應用的唯一方法，就是觀察其在實際環境中的表現。
>>> 延伸閱讀：什麼是權益證明（PoS）？
區塊鏈共識算法結論
共識機制是分佈式系統運行的基礎。許多人認為比特幣最重要的突破在於其工作量證明（PoW）機制的使用，該機制使參與者能夠在不依賴中央權威機構的情況下就一組共享事實達成一致。
如今，共識算法的作用遠不止於支持數字貨幣系統。它們是區塊鏈本身的基礎，使開發者能夠在去中心化網絡上運行代碼和應用程序。因此，共識算法已成為區塊鏈技術的基石，也是去中心化網絡長期生存的關鍵因素。
〈 什麼是區塊鏈共識算法？ 〉 本文文章首發於《 CoinRank 》。
