區塊鏈中的共識算法是什麼？

Question

## 引言共識算法是一個基本機制，允許用戶或機器在分布式環境中進行協調。它的主要功能是確保系統中的所有參與者就一個唯一的事實來源達成一致，即使某些組件出現故障。這個概念被稱爲容錯性，對區塊鏈網路的運行至關重要。在集中式系統中，單一實體控制並維護網路，可以根據其判斷進行修改，而無需復雜的治理系統。然而，在去中心化系統中，情況發生了根本變化。在處理分布式數據庫時，出現了一個問題：如何就納入哪些數據達成一致?在一個參與者彼此不信任的環境中克服這一挑戰，可能是爲區塊鏈鋪平道路的最關鍵進展。本文探討了共識算法爲何對加密貨幣和分布式帳本的運作至關重要。## 共識算法與加密貨幣在加密貨幣生態系統中，用戶的餘額記錄在一個稱爲區塊鏈的數據庫中。所有節點保持這一數據庫的完全相同副本至關重要，因爲矛盾信息的出現可能會危及整個網路的完整性。公鑰加密確保用戶無法花費他人的幣。然而，必須存在一個唯一的可信來源，參與者依賴於此來確定資金是否已被使用。中本聰，比特幣的創造者，提出了工作量證明系統(PoW)來協調參與者。我們稍後會分析它的工作原理，但首先我們將識別現有各種共識算法之間的共同特徵。最初，要求希望添加塊(驗證者)的用戶提供保證金或“質押”。這個要素代表了驗證者必須承諾的價值，以勸阻其惡意行爲。如果試圖欺騙系統，將失去其保證金，可能包括計算能力、加密貨幣或其聲譽。爲什麼他們要冒着自己的資源風險？答案很簡單：有獎勵在等待着。通常，這個獎勵表現爲協議的原生加密貨幣，基於用戶支付的手續費、新生成的加密貨幣，或者兩者兼而有之。最後一個基本要求是透明性。必須能夠識別出當有人試圖欺騙系統時。理想情況下，驗證者生成區塊的成本應該高，但任何用戶驗證這些區塊的成本應該低。這確保了驗證者也受到普通用戶的監督。## 共識算法類型### 工作量證明 (PoW)工作量證明(PoW)是區塊鏈的經典共識算法。它最初與比特幣一起實施，盡管這個概念早在很久以前就存在。在這個系統中，驗證者(稱爲礦工)，對他們想要添加的數據應用哈希函數，直到產生一個特定的解決方案。哈希是通過執行哈希函數生成的一串看似隨機的字符。如果輸入數據相同，則結果將相同。然而，最微小的更改會產生完全不同的哈希.輸出數據無法確定輸入數據，從而使此功能成爲有效的方法，以證明在某段時間內已知某個數據。可以將哈希值提供給第三方，並在透露數據時，該人可以驗證輸出是否與在函數中執行它們時的一致。在工作量證明（PoW）中，協議定義了使一個區塊有效的條件。例如，它可以規定只有哈希以"00"開頭的區塊才是有效的。礦工創建有效區塊的唯一方法是通過暴力破解，修改其數據中的一個參數以產生不同的結果，直到找到正確的結果。在主要的區塊鏈上，難度等級非常高。爲了有效競爭，需要配備ASIC的設施，這是一種專門設計的硬件，用於提高產生有效區塊的幾率。在挖礦中，投資對應於這些機器的成本和其運行所需的電能。ASIC專門設計用於挖礦，除了這個領域沒有其他用途。收回初始投資的唯一方式是通過挖礦並成功添加新區塊到區塊鏈上來獲得獎勵。網路對區塊的驗證很簡單：一次函數執行即可檢查結果。如果數據生成有效的哈希，區塊將被接受，礦工將獲得獎勵。否則，網路將使其無效，從而導致時間和電力的浪費。### 權益證明 (PoS)權益證明(PoS)在比特幣的早期被提議作爲工作量證明的替代方案。在PoS中沒有礦工、專用硬件或大規模能源消耗。唯一需要的是一臺普通電腦。還有一個基本的額外要素：對系統貨幣的投資。在PoS中，不再使用外部資源(硬件和電力)，而是使用內部資源(加密貨幣)。規則因協議而異，但通常參與質押需要最低價值。資金必須鎖定在一個錢包(，不能在質押期間移動)。通常，驗證者會商定哪些交易將進入下一個區塊。在某種程度上，人們在賭哪個區塊會被選中，讓協議決定其餘的內容。如果提議的區塊被選中，驗證者將根據其質押獲得一部分交易費用。質押的數量越大，獲勝的概率就越高。然而，試圖通過提供無效交易來欺騙系統將導致部分或全部質押的損失。因此，建立了類似於PoW的機制：誠實行事比欺詐性行爲更有利可圖。一般來說，新創建的加密貨幣不屬於驗證者的獎勵。因此，區塊鏈的本地貨幣必須以不同的方式發行。這可以通過初始分配(例如，一個ICO或IEO)，或在協議的初始階段使用PoW，然後過渡到PoS。截至目前，純權益證明主要在市值較小的加密貨幣中實施。因此，目前尚不完全證明它是否可以成爲大規模工作量證明的可行替代方案。盡管理論上看似有效，但實際實施面臨不同的挑戰。當PoS在信息量大的網路中實施時，該系統成爲金融激勵和博弈論的完美實驗場。擁有"破解"PoS系統知識的人只有在有可能利用它的情況下才會嘗試，因此評估其脆弱性的唯一方法就是直接在網路中進行測試。我們很快將在以太坊網路的更新中看到大規模的PoS測試，使用Casper的實現，(也被稱爲以太坊2.0。## 其他共識算法工作量證明和權益證明是最常見的共識算法，但還有許多其他變種，每種都有其優缺點：- 延遲工作證明- 租賃權益證明- 權威證明- 銷毀證明- 委托權益證明- 混合共識 PoW/PoS## 結論達成共識的機制對於分布式系統的運行至關重要。許多人認爲，比特幣的最大創新在於使用工作量證明（Proof of Work）來允許用戶達成一套共享的事實。目前，共識算法不僅支撐數字貨幣系統，還支撐允許開發者在分布式網路上執行代碼的區塊鏈。它們構成了區塊鏈技術的基礎支柱，對於現有各種網路的長期可行性至關重要。在所有共識算法中，工作量證明（Proof of Work）仍然是最常用的。事實上，至今尚未提出更可靠和安全的替代方案。然而，目前正在進行激烈的研究和開發，以取代PoW，未來幾年內出現新的共識解決方案的可能性非常高。