區塊鏈中的共識算法是什麼？它們的特徵是什麼？

本文探討了區塊鏈共識算法，例如工作證明，股份證明和委託證明，分析其能源效率，安全性，可伸縮性和交易速度，以突出選擇機制方面的權衡。

2025/03/07 07:24

區塊鏈中的共識算法是什麼？它們的特徵是什麼？

要點：

• 本文將探討區塊鏈技術中使用的各種共識算法，重點關注其機制，優勢和劣勢。
• 我們將深入研究工作證明（POW），驗證證明（POS），委託證明（DPO），經理證明（POA）和實用的拜占庭式偏離容忍度（PBFT）等。
• 將分析每種算法的能效，安全性，可擴展性和交易速度。討論還將涉及選擇特定共識機制固有的權衡。

區塊鏈中的共識算法：

區塊鏈技術在很大程度上依賴共識算法來確保分佈式分類帳的完整性和安全性。這些算法決定了網絡中的節點如何同意區塊鏈的有效狀態。不同的算法在安全性，可擴展性和能耗之間提供了不同的權衡。讓我們研究一些突出的例子：

• 工作證明（POW）：

POW可以說是比特幣最著名的共識機制。它涉及競爭以解決複雜加密難題的節點。解決難題的第一個節點是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的獎勵。難題的難度可以動態調整以保持一致的塊生成時間。這種固有的困難是一項安全措施，使惡意演員改變區塊鏈歷史的計算昂貴。

與POW相關的大量能耗是主要的批評。解決難題所需的強烈計算能力導致碳足跡大。此外，計算競賽可以由大型採礦池主導，潛在地集中力量並提高了約51％的攻擊，其中一個實體控制了網絡哈希速率的一半以上，並可能操縱區塊鏈。但是，POW的分散性質，對攻擊的魯棒性以及既定的往績使其成為許多加密貨幣的可靠選擇。高障礙（需要專門的硬件和大量電力成本）是對惡意演員的自然威懾作用。此外，“先求”本質上會創造出交易的透明和可驗證的記錄。分散的性質也意味著沒有單一的實體控製網絡，從而降低了審查或操縱的風險。但是，環境影響仍然是一個重大挑戰，導致探索替代共識機制。高計算能力需求也可能導致排除較小的參與者，從而加劇集中化問題。最後，與其他算法相比，基於POW的區塊鏈中的交易速度通常相對較慢。

• 驗證證明（POS）：

POS旨在解決POW的能耗問題。 POS不依賴計算能力，而是根據“股份”的加密貨幣量選擇驗證器 - 實質上是將硬幣鎖定為抵押品。 a節點賭注越多，選擇驗證下一個塊並獲得獎勵的機會就越高。這種機制激勵驗證者誠實行動，因為失去股份將是對惡意行為的重大懲罰。

與POW相比，POS提供了提高的能源效率，因為它需要降低計算能力。減少的能源消耗是一個關鍵優勢，使其成為更環保的選擇。此外，既定機制通常會導致一個更加分散的網絡，因為對於較小的玩家而言，它比較便宜。但是，POS並非沒有挑戰。它可能容易受到“無所事事”攻擊的影響，在這種攻擊中，驗證者可以同時參與而沒有受到懲罰的多個鏈條。這可能導致網絡安全性中的漏洞。此外，由於擁有更多硬幣的較富裕的參與者有更高的機會成為驗證者，因此財富集中問題仍然存在。選擇過程本身也可能很複雜，需要復雜的算法來防止操縱並確保公平。最後，網絡的安全性在很大程度上取決於驗證者的誠實，從而創造了一個信任因素，而信任因素在POW系統中並不完全不存在，但在POS中更為突出。儘管存在這些挑戰，但POS還是成為POW的一種流行替代方案，在安全性，可擴展性和能源效率之間提供了令人信服的平衡。

• 授權證明（DPO）：

DPO是POS的變體，令牌持有人投票支持代表代表交易。這種方法旨在通過減少確保網絡所需的驗證器數量來提高可擴展性和效率。他們不是直接驗證交易的所有代幣持有人，而是將其投票權委託給選定的代表。這些代表負責驗證塊並提出新的代表。

與POS和POW相比，DPO提供了增強的可伸縮性，因為它減少了與共識相關的計算開銷。較小數量的驗證器還簡化了過程並提高了交易速度。但是，它引起了人們對集中化的擔憂，因為驗證交易的權力集中在相對少數代表的手中。如果大部分代表採取惡意行事，這使該系統容易受到勾結和操縱的影響。此外，投票過程本身可能容易受到操縱的影響，尤其是如果一小群強大的利益相關者控制了大部分投票權。 DPOS系統可能容易影響小販和投票購買。對於提高速度和可伸縮性，這種功率集中是一個重大的權衡。因此，需要仔細考慮以平衡效率提高與中央集權的潛在風險。投票過程中的透明度和防止勾結的機制對於維持基於DPOS的區塊鏈的完整性至關重要。

• 授權證明（POA）：

POA依賴於驗證者的身份和聲譽，而不是計算能力或固定令牌。在POA系統中，驗證者是預先選擇的實體，通常是具有既定聲譽的組織或個人。這些驗證者被信任地誠實行動並保持區塊鏈的完整性。這種方法簡化了共識過程，並可以實現高交易吞吐量。

POA的主要優勢是它的速度和效率。簡化的共識機制允許更快的交易處理和減少延遲。但是，對受信任實體的依賴引起了人們對集中化和潛在審查制度的擔憂。如果驗證者串通或以惡意行動，則可以妥協整個系統。驗證器的選擇過程至關重要，必須透明且負責，以避免偏見和操縱。此外，缺乏強大的激勵機制來使驗證者誠實行動，除了聲譽外，還可能破壞該系統的安全性。放置在驗證者中的信任是將POA與其他共識機制區分開的基本特徵。這種固有的信任因素需要仔細考慮選擇過程以及驗證器不當行為的後果。儘管POA可以在特定用例（例如私人區塊鍊或權限網絡）中提供優勢，但其適用於公共，分散的區塊鏈的適用性值得懷疑。

• 實用的拜占庭容錯（PBFT）：

PBFT是一種設計用於較小的，有權限的網絡的確定性共識算法。它需要固定數量的驗證器，每個事務需要特定數量的消息才能達成共識。該算法可以忍受多達三分之一的驗證器是錯誤或惡意的。

PBFT具有很高的安全性和容錯性，可以確保惡意演員無法操縱系統，只要遭到驗證者的三分之一不到三分之一而受到損害。但是，其可伸縮性受到嚴格限制。隨著驗證器數量的增加，通信開銷大大增加，這使其不適合大規模的公共區塊鏈。固定數量的驗證者還引入了集中化問題。該算法的確定性性質雖然提供了強大的安全保證，但也可以限制其靈活性和對不斷變化的網絡條件的適應性。儘管PBFT是一種可靠的信任和安全性的較小，權限的網絡的強大算法，但其可伸縮性限制使其不適合大規模應用程序。與算法相關的高通信開銷進一步限制了其在大規模部署中的實際使用。

常見問題解答：

問：最節能的共識算法是什麼？

答：普遍的證明（POS）及其變體，例如授權證明（DPO），通常被認為比工作證明（POW）更節能。

問：哪種共識算法最適合可伸縮性？

答：授權的驗證證明（DPO）和授權證明（POA）通常比POW或POS具有更好的可擴展性，但以潛在的集中化為代價。

問：與工作證明相比，股份證明的安全性如何？

答：POW和POS都有其安全優勢和劣勢。 POW的安全性依賴於計算能力，而POS的安全性依賴於驗證者的固定資本。每個都有積極研究和解決的漏洞。確定的“更安全”的答案是不可能的。

問：POS和DPO之間的主要區別是什麼？

答：在POS中，許多節點直接參與驗證，而在DPO中，令牌持有人選舉代表代表他們驗證。這種差異會影響可伸縮性和分散性。

問：授權證明適合公共區塊鏈？

答：POA的集中性質使其通常不適合優先考慮權力下放和抵抗審查的公共區塊鏈。它更常用於私人或權限網絡中。

問：實用的拜占庭容錯（PBFT）的局限性是什麼？

答：PBFT由於其高度溝通的開銷而受到可伸縮性限制，因此對於大型公共區塊鏈而言，它是不切實際的。它最適合較小的許可網絡。

這種詳細的探索提供了對區塊鏈技術中使用的各種共識算法的全面理解。鼓勵對每種算法內的特定實施和正在進行的發展進行進一步研究，以完全了解其細微差別和不斷發展的應用。