區塊鏈中共識機制的常見類型是什麼？

區塊鏈利用了各種共識機制，例如工作證明（能源密集但安全），商品證明（能源有效但潛在的集中式）和自權證明（快速但較少的分散），每種都在安全性，可擴展性和能量消耗方面取決於權衡。

2025/02/28 10:42

區塊鏈中共識機制的常見類型是什麼？

要點：

• Proof-of-Work (PoW): A computationally intensive process requiring miners to solve complex cryptographic puzzles to validate transactions and add new blocks to the blockchain.該機制以其安全性而聞名，但遭受了高能量消耗的影響。
• Proof-of-Stake (PoS): A more energy-efficient mechanism where validators are chosen based on the amount of cryptocurrency they stake.驗證者因驗證交易而受到獎勵，並因惡意行為而受到懲罰。與POW相比，這提供了提高的可伸縮性和降低的能耗。
• Delegated Proof-of-Stake (DPoS): A variation of PoS where token holders vote for delegates who validate transactions on their behalf.這旨在通過允許較小的利益相關者間接參與驗證來提高效率和參與。
• Proof-of-Authority (PoA): A permissioned consensus mechanism where a pre-selected set of validators (authorities) are responsible for validating transactions.這種機制優先考慮速度和效率，但損害了權力下放。
• 歷史證明（POH）：一種使用可驗證的，密碼固定的時間戳計劃來訂購交易的機制。這允許更快的交易處理和提高的可伸縮性。
• Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT): A permissioned consensus mechanism designed to achieve high fault tolerance in a distributed system.與其他機制相比，它需要較少的驗證器數量，但隨著驗證器數量的增加，可能會與可伸縮性抗爭。

共識機制的詳細說明：

• 工作證明（POW）：

POW是比特幣和許多其他加密貨幣使用的原始共識機制。它依賴於競爭過程，礦工競爭解決複雜的加密難題。第一個解決難題的礦工將下一個交易塊添加到區塊鏈中，並獲得新鑄造的加密貨幣和交易費用。拼圖的難度會動態調整以保持一致的塊生成時間，從而確保網絡安全。

POW所需的計算能力使其不受攻擊非常安全。惡意演員將需要控製網絡哈希功率的50％以上，以成功改變區塊鏈的歷史，這一壯舉目前對於大多數加密貨幣而言是不切實際的。但是，這種安全性的成本很高。為採礦所涉及的大量計算機提供動力所需的大量能耗引起了重大的環境問題。採礦獎勵的競爭也導致了專業硬件的軍備競賽，使小型玩家越來越難參加。採礦能力的集中化可能是一個潛在的脆弱性，具體取決於網絡的整體哈希速率分佈。此外，可以更好地利用專用於POW的計算資源來用於其他社會利益。最後，塊創建的固有隨機性可能導致不可預測的交易確認時間。高交易量會導致確認的重大延遲。

• 驗證證明（POS）：

POS是旨在解決與POW相關的能耗問題的另一種共識機制。 POS不是依靠計算能力，而是根據“股份”的加密貨幣選擇驗證器 - 將硬幣鎖定為抵押品。根據其股份隨機選擇驗證者，與其持有的數量成比例。他們有責任提出和驗證新塊，並獲得新鑄造的加密貨幣和交易費用的獎勵。如果驗證者採取惡意行事或未能履行職責，則可能會失去一部分固定硬幣。這種“削減”機制激發了誠實的行為。

POS比POW明顯高得多，因為它不需要相同的計算能力。由於交易驗證不依賴於解決複雜的數學問題，因此它也往往更具擴展性。由於較小的利益相關者可以更有效地參與，因此放訂獎勵的分配也可以促進一個更加分散的網絡。但是，POS並非沒有挑戰。 “無需付出的問題”問題，即驗證者可以同時將硬幣同時放在多個鏈條上，而不會受到重大懲罰，這可能會導致脆弱性。此外，系統固有的財富集中度可能會導致較少數量的非常大的驗證器主導網絡。隨著時間的流逝，這可能會導致集中化問題，尤其是如果固定硬幣的分佈變得越來越不平衡。 POS的安全也很大程度上取決於系統內置的經濟激勵措施以及削減機制的響應能力。

• 授權證明（DPO）：

DPO是POS的一種變體，旨在提高參與和效率。在DPO中，令牌持有人投票支持將代表他們驗證交易的代表。這些代表通常是根據其聲譽，技術專長或其他因素來選擇的。然後，選定的代表參與共識過程，提出和驗證塊。令牌持有人因參加投票過程而獲得獎勵，而代表則因其驗證工作而獲得獎勵。

DPO與傳統POS具有多種優勢。它簡化了較小的令牌持有人的參與過程，他們可能沒有直接參與驗證的技術專長或資源。由於驗證器的數量通常比POS中的較小，因此它也可以導致更快的交易處理。但是，DPO經常因其中央集權的潛力而受到批評。代表的選擇可能會受到各種因素的影響，包括營銷工作和社區影響力，有可能導致少數關鍵參與者的力量集中。這可能會損害通常被吹捧為區塊鏈技術的關鍵好處的權力中心化。此外，投票系統本身可能容易受到操縱和攻擊的影響，尤其是在投票機制沒有精心設計和確保的情況下。

• 授權證明（POA）：

POA是一種允許的共識機制，優先考慮速度和效率而不是權力下放。在POA中，一組預先選擇的驗證者（稱為當局）負責驗證交易。這些當局通常是具有可信賴性記錄的組織或個人。一旦有足夠數量的當局就交易的有效性達成一致，將添加新的區塊。

POA高效且快速，使其適用於需要低延遲的應用。它通常用於安全和速度至關重要的私人區塊鍊和企業解決方案中。但是，與其他共識機制相比，POA天生就不那麼分散。當局的選擇通常是集中的，網絡的安全在很大程度上取決於這些當局的可信度。如果大量當局受到損害，這使其容易受到攻擊。此外，POA限制參與的允許性質，有可能阻礙其在需要更廣泛參與和透明度的申請中的採用。

• 歷史證明（POH）：

POH是一種新穎的共識機制，致力於為交易創建可驗證和密碼安全的時間戳計劃。 POH不依靠礦工或驗證者的競爭，而是利用確定性功能來生成一系列時間戳。鏈中的每個塊都包含上一個塊和時間戳的哈希，創建了可驗證的事件歷史記錄。這允許對交易進行更有效，可預測的順序，從而提高區塊鏈的速度和可擴展性。

POH的主要優點是其速度和效率。它消除了對複雜共識算法的需求，從而使交易處理更快。 POH的確定性也使其更具預測性，這對於需要實時交易處理的應用至關重要。但是，POH的安全取決於其基礎算法的加密安全性。如果這些算法被妥協，則整個系統可能容易受到攻擊。此外，根據特定的實施，POH可能不像其他共識機制那樣對SYBIL攻擊具有抗性。

• 實用的拜占庭容錯（PBFT）：

PBFT是一種旨在在分佈式系統中實現高容錯的共識機制。即使其某些節點（驗證器）是惡意的或失敗的，它允許系統繼續運行。與其他機制相比，PBFT需要較少數量的驗證器，這使得在某些情況下它的效率更高。但是，隨著驗證器數量的增加，它遭受了可伸縮性問題。隨著參與者的數量，通信開銷和計算複雜性迅速增長，限制了其對較大網絡的適用性。

PBFT的優勢在於其處理拜占庭失敗的能力，在這種情況下，節點可能會任意行為，包括發送衝突的信息或默默失敗。這使其適合需要非常高的可靠性和安全性的應用程序，尤其是在信任至關重要的情況下。但是，可伸縮性的局限性阻止了PBFT在大量參與者的公共區塊鏈中被廣泛採用。溝通複雜性使得在涉及許多驗證者時有效達成共識的挑戰。

常見問題解答：

問：哪種共識機制最安全？

答：由於其較高的計算要求，通常認為工作證明（POW）最安全，因此攻擊者很難控製網絡。但是，任何共識機制的安全性取決於各種因素，包括特定的實施，網絡的規模和分佈以及實​​施的經濟激勵措施。

問：哪種共識機制是最節能的？

答：利用證明（POS）及其變體比POW明顯高得多。他們需要的計算能力要少得多才能達成共識，從而導致碳足跡大大降低。

問：哪種共識機制最可擴展？

答：沒有單一的“最可擴展”機制。 POS及其變體以及POH通常提供的可擴展性比POW更好，但是特定的性能在很大程度上取決於實現和網絡條件。在某些情況下，DPO還可以提供提高的可伸縮性，但以潛在集中化為代價。

問：不同共識機制之間的權衡是什麼？

答：共識機制的選擇涉及安全性，可擴展性，能源效率和權力下放之間的權衡。 POW優先考慮安全性，但犧牲了能源效率和可擴展性。 POS優先考慮能源效率和可擴展性，但與POW相比可能會損害安全性，並且可能面臨集中化風險。 DPO優先考慮參與和速度，但可以更集中。 POA優先考慮速度和效率，但犧牲了權力下放。 POH優先考慮速度和可預測性，但其安全性在很大程度上依賴於潛在的加密算法。 PBFT優先考慮容錯，但在可伸縮性方面掙扎。最佳選擇取決於區塊鏈應用程序的特定要求。

問：區塊鏈可以使用多種共識機制嗎？

答：雖然罕見，但從理論上講，區塊鏈可以採用混合方法，結合了不同共識機制的要素來利用其各自的優勢。但是，這樣的混合系統通常會引入增加的複雜性，並需要仔細設計以避免脆弱性。