什麼是共識機制？

什麼是共識機制？

在區塊鏈的世界中，共識機制就像是所有參與者遵循的規則手冊，用來就交易歷史達成一致。

想像一群朋友試圖維護一個共享的賬本，記錄誰欠誰錢。沒有中央權威，

他們需要一種方法來確保每個人都擁有相同的記錄。這就是共識機制在區塊鏈網絡中的作用。

它確保網絡中的所有計算機（或節點）擁有相同的區塊鏈副本，並就哪些交易是有效的達成一致。這至關重要，因為區塊鏈是去中心化的，意味著沒有單一實體負責。共識機制通過約定的規則使網絡能夠自我調節，取代了對受信任第三方的需求，如銀行。

• 共識機制是區塊鏈系統中用於達成分佈式協議的編程和過程，關於賬本狀態或數據集的狀態。加密貨幣、區塊鏈和分佈式賬本受益於其使用，因為共識機制取代了較慢且有時不準確或不可信的人類驗證者和審計者。
• 區塊鏈是分佈式點對點系統，任何人都可以訪問，但沒有單一實體可以擁有或控制它。共識機制使分佈式點對點網絡的協調成為可能，而不是使用受信任的第三方。

對於區塊鏈支付網絡，正確處理、結算和驗證交易並防止雙重花費非常重要。

在區塊鏈中，達成共識是處理和結算交易的關鍵部分。

共識機制是使分佈式節點集能夠就區塊鏈狀態達成一致的完整想法、協議和激勵堆棧。共識意味著已達成一般協議。

為什麼重要？

• 安全性： 它們防止惡意行為者更改區塊鏈的歷史，例如阻止某人兩次花費同一種加密貨幣（雙重花費）。
• 信任： 通過確保所有節點就區塊鏈的狀態達成一致，共識機制在參與者之間建立信任，無需彼此了解或信任。
• 去中心化： 它們使網絡能夠在沒有中央權威的情況下運作，將權力和控制分佈給所有參與者。

共識機制使協議層節點能夠獨立就賬本狀態達成一致，更新鏈的狀態並保持其運作完整性，實現去中心化而不造成混亂。所有區塊鏈必須保持準確記錄才能正確運作。

與銀行不同，區塊鏈沒有任何中央權威來保存所有記錄。相反，在去中心化網絡中，所有節點都是平等的。不同區塊同時廣播，網絡必須決定跟隨哪條鏈。決定跟隨哪條鏈的機制稱為共識。

共識機制是保持去中心化網絡安全的關鍵。

共識機制如何運作

1. 交易廣播： 當使用者發起交易時，它會被廣播到參與區塊鏈的節點網路（電腦）。
2. 交易驗證： 節點驗證交易，確保其符合協議的規則，例如發送者擁有足夠的資金且未試圖雙重花費貨幣。
3. 區塊提案： 選擇一個節點來提議一個新的交易區塊以添加到區塊鏈中。選擇過程因共識機製而異。
4. 區塊驗證： 其他節點驗證提議的區塊，確保其中只包含有效的交易並符合共識機制的要求。
5. 區塊添加： 如果大多數節點同意提議區塊的有效性，則將其添加到區塊鏈中。
6. 獎勵分配： 提議區塊的節點，有時還有其他參與節點，將因其對共識過程的貢獻而獲得獎勵。

第一代共識機制：工作量證明（PoW）

PoW是原始的加密共識機制，首先由比特幣使用。PoW和挖礦密切相關。之所以稱為“工作量證明”，是因為網絡需要巨大的處理能力。

• PoW的想法於1993年首次出現，用於阻止垃圾郵件，但Satoshi Nakamoto的2008年白皮書“Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System”確立了PoW作為區塊鏈網絡基石的潛力。PoW是去中心化共識機制，要求網絡成員在解決加密謎題上付出努力，也稱為挖礦，參考為完成的工作獲得獎勵。

運作原理

在PoW系統中，被稱為礦工的參與者競爭解決一個複雜的數學謎題。這個謎題難以解決，但一旦解決後很容易驗證。

第一個解決謎題的礦工有權將一組新交易添加到區塊鏈中作為新區塊，並作為獎勵獲得一定數量的加密貨幣。

這個過程可以比喻為一個彩票系統，礦工使用他們的計算能力來猜測正確答案。計算能力越強，礦工解決謎題的機會越高。

優勢：

• 安全性高： 攻擊者需要擁有超過全網51%的計算能力才能控制區塊鏈，這在現實中極難實現。
• 去中心化： 任何擁有計算資源的人都可以參與網絡。

挑戰：

• 能源消耗巨大： 解決數學難題需要大量電力，對環境產生負面影響。
• 擴展性限制： 交易處理速度較慢，難以滿足高頻交易的需求。
• 集中化風險： 隨著時間推移，挖礦活動越來越多地由大型礦池主導，可能導致權力集中。
• 速度慢:每秒僅處理7筆交易

第二代共識機制：權益證明（PoS）

PoS協議是一類區塊鏈共識機制，通過根據相關加密貨幣持有量選擇驗證者來工作，以避免工作量證明（POW）方案的計算成本。

• 第一個運作的PoS加密貨幣是2012年的Peercoin，雖然其方案表面上仍類似於POW。對於區塊鏈交易被認可，必須附加到區塊鏈。在權益證明區塊鏈中，附加實體被命名為鑄幣者或驗證者（在工作量證明區塊鏈中此任務由礦工執行）；在大多數協議中，驗證者因正確執行而獲得獎勵。

運作原理

在PoS系統中，根據驗證者持有的加密貨幣數量及其願意作為抵押“質押”的數量來選擇驗證者來創建新區塊和驗證交易。質押的幣越多，驗證者被選中提出下一個區塊的機會越高。

這個過程可以想像成一個彩票，持有的彩票數量與質押的大小成正比。一旦被選中，驗證者創建一個新區塊並與網絡共享。其他驗證者驗證該區塊，如果有效，則添加到區塊鏈中。

驗證者因參與而獲得交易費或新鑄造的幣作為獎勵。然而，如果驗證者不誠實，例如試圖驗證無效交易，他們可能會失去質押的幣作為懲罰。

優勢與挑戰

• 優勢：
  • 能源效率： PoS比PoW消耗的能源少得多，因為它不需要密集的計算工作。
  • 可擴展性： PoS可能處理每秒更多交易，使其更具可擴展性。
  • 去中心化： 允許任何擁有足夠質押的人參與，有助於促進更分散的網絡。
  • 較低的進入門檻： PoS允許更多人參與共識過程，只要他們有足夠的加密貨幣就可以成為驗證者。
• 挑戰：
  • 財富集中： 由於質押更多的驗證者有更高的被選中機會，存在較富裕的參與者可能獲得更多控制權的風險。
  • 安全問題： 一些人認為PoS可能不如PoW安全，特別是在市場資本化低的網絡中，獲得多數質押可能是可行的。

共識機制的演變與改進

在設計共識機制時，需要在交易處理效率和網絡去中心化程度之間取得平衡。

• 高效率的機制可能會引入更多的中心化元素，
• 而完全去中心化的系統可能會犧牲一定的效率。

從PoW到PoS

第一個共識機制工作量證明（PoW）雖然安全，但因其高能源消耗而受到批評。為了緩解這一問題，引入了權益證明（PoS），它根據質押而不是計算能力選擇驗證者，大幅減少了能源使用。

變種與混合模型

隨時間推移，出現了PoS的幾個變種:如委託權益證明（DPoS），其中利益相關者選舉代表來代表他們驗證交易，旨在提高交易速度和效率。其他機制包括權威證明（PoA），用於私人區塊鏈，其中驗證者是預先批准且受信任的實體，提供高吞吐量和低延遲。還有混合模型結合PoW和PoS以平衡安全性和效率。例如，一些區塊鏈使用PoW創建初始區塊，然後使用PoS進行驗證。

該領域仍在演進，持續研究新的共識機制以提供更好的可擴展性、安全性和去中心化。例如，空間證明（Proof of Space）使用磁盤空間而不是計算能力，燃燒證明（Proof of Burn）則要求驗證者“燃燒”幣以獲得驗證權利。

這種演變反映了區塊鏈社區努力創造更可持續、有效和安全的系統。

效率與去中心化之間的平衡

區塊鏈三難困境，由以太坊聯合創始人Vitalik Buterin提出，指的是區塊鏈技術三個關鍵方面的權衡：安全、可擴展性和去中心化。

• 安全指區塊鏈網絡必須具備的強大防禦，以防止惡意實體接管。
• 可擴展性，要求區塊鏈容納大量交易和用戶而不大幅增加費用或交易時間。
• 去中心化是區塊鏈技術的必要特性，網絡控制權均等分佈於所有參與者，而不是集中在單一實體。

區塊鏈三難困境類似於你無法輕易平衡社交生活、工作和睡眠。它是加密貨幣社區普遍認為的信念，真正去中心化的網絡需要在安全性和可擴展性之間選擇。

尋找正確平衡

不同的區塊鏈項目根據其特定需求和優先事項選擇共識機制。例如：

• 比特幣： 優先考慮安全性和去中心化，接受較慢的交易時間。
• 以太坊2.0： 通過PoS尋求平衡，力求改善可擴展性，同時保持安全性和一定程度的去中心化。
• EOS： 通過DPoS專注於高吞吐量和可擴展性，接受更高的集中化程度。

新興共識機制和技術進步，如分片和二層解決方案，正在開發中，以解決這些權衡並可能實現更好的平衡。

其他共識機制

• 委託權益證明（DPoS）允許利益相關者選舉代表來代表他們驗證交易，旨在提高交易速度和效率。
• 權威證明（PoA）用於私人區塊鏈，其中驗證者是已知且受信任的實體，提供高吞吐量和低延遲。
• 實用拜占庭容錯（PBFT）是一種旨在容忍惡意或故障節點的共識機制。它涉及多輪通訊過程，節點交換訊息以就區塊鏈狀態達成協議。
• 容量證明（PoC）驗證者使用其可用磁盤空間參與共識過程。
• 燃燒證明（PoB）驗證者通過將幣發送到無法檢索的地址“燃燒”幣，獲得驗證權利。
• 時間證明（Proof of Elapsed Time, PoET）由Intel開發，通過隨機等待時間來選擇區塊創建者，主要用於許可鏈。

未來展望

隨著區塊鏈應用的多樣化，未來的共識機制可能會朝著以下方向發展：

趨勢與發展:

1. 混合模型： 結合不同共識機制，如PoW和PoS，充分利用各自優勢，同時減輕弱點。
2. 可擴展性解決方案： 如分片，將區塊鏈分為較小部分以並行處理交易，以及二層解決方案在主鏈外處理交易。
3. 能源效率： 開發需要更少能源的共識機制，如PoS及其變種，使區塊鏈技術更可持續。
4. 量子抗性： 研究對抗量子計算攻擊的安全加密方法，以未來保護區塊鏈網絡。
5. 互操作性： 創建促進不同區塊鏈之間通信和交易的共識機制，增強整體生態系統。

新興機制:

• 歷史證明（PoH）： Solana使用的PoH提供一種加密驗證事件之間時間流逝的方法，實現高吞吐量。
• 有向無環圖（DAGs）： 用於IOTA和其他項目，DAG允許並行處理交易，可能提供更好的可擴展性。

總之，共識機制是區塊鏈技術的核心，直接影響到網絡的安全性、效率和去中心化程度。隨著技術的不斷進步，新的共識機制將持續湧現，以滿足不同應用場景的需求。