節點如何達成共識？它如何防止雙重支出？

了解加密貨幣的共識機制

在加密貨幣的世界中，節點在保持區塊鍊網絡的完整性和功能方面起著至關重要的作用。節點本質上是通過驗證交易並將其添加到區塊鏈中來參與網絡的計算機。這些節點面臨的關鍵挑戰是達成共識，這是關於區塊鏈狀態的協議。共識機制是關鍵方案，可確保所有節點都在交易的有效性及其添加到區塊鏈的順序上一致。本文探討了節點如何達成共識以及這些機制如何阻止雙重支出，這是數字貨幣中的重大問題。

工作證明（POW）

最早，最廣為人知的共識機制之一是工作證明（POW） 。由Bitcoin引入的POW要求的節點（稱為礦工）可以解決複雜的數學問題來驗證交易並將其添加到區塊鏈中。這個稱為採礦的過程涉及找到符合特定標準的哈希，這需要重要的計算能力。

• 採礦過程：礦工競爭解決哈希難題。第一個解決的礦工可以在區塊鏈上添加新的交易塊，並獲得新鑄造的加密貨幣的獎勵。
• 共識：一旦礦工解決了難題並添加一個塊，其他節點就會驗證解決方案。如果大多數節點都同意解決方案是正確的，則將塊添加到區塊鏈中，並達成共識。
• 防止雙重支出：POW可以通過確保將交易包含在塊中並添加到區塊鏈中，從而防止雙重支出，從而更改其需要重新挖掘該塊和所有後續塊，這在計算上是不可行的。

股份證明（POS）

股份證明（POS）是另一種共識機制，旨在實現與POW相同的目標，但使用不同的方法。 POS不再需要計算能力，而是依賴於參與者在網絡中擁有的經濟利益。

• 驗證過程：在POS中，選擇驗證者根據其持有的硬幣數量並願意將其作為抵押品創建新塊。驗證器賭注的硬幣越多，選擇驗證交易的機會就越高。
• 共識：選擇驗證器後，他們提出了一個新的交易塊。然後，網絡中的其他節點驗證塊。如果多數人同意，則將區塊添加到區塊鏈中，達成共識。
• 防止雙重支出：POS通過確保驗證者俱有誠實行動的經濟動機來防止雙重支出。如果驗證者試圖驗證欺詐性交易，他們可能會丟失儲存硬幣，從而使雙重支出高度無利可圖。

授權的股份證明（DPO）

授權的股份證明（DPO）是POS的一種變體，它為共識過程增加了一層民主。在DPO中，網絡參與者投票選舉少數負責驗證交易並創建新塊的代表。

• 選舉過程：網絡中的用戶根據他們的信任和對他們的信心對代表進行投票。當時，最高投票的代表負責維護區塊鏈。
• 共識：當選的代表輪流提出和驗證塊。如果大多數代表都同意一個區塊，則將其添加到區塊鏈中，達成共識。
• 防止雙重支出：類似於POS，DPO通過確保代表在網絡中擁有股份並享有聲譽來防止雙重支出。如果代表試圖驗證欺詐性交易，他們有可能失去自己的立場和股份。

實用的拜占庭容錯（PBFT）

實用的拜占庭式容錯（PBFT）是一種共識機制，旨在供許可的區塊鍊網絡，所有節點都是已知和信任的。 PBFT在在最多三分之一的節點可能是惡意的環境中達成共識特別有效。

• 共識過程：在PBFT中，Leader Node提出了一個新的交易塊。然後，其他節點在多輪溝通中對擬議的塊進行投票，直到達成共識為止。
• 共識：如果在塊上同意的超差異（通常為三分之二加一個），則將其添加到區塊鏈中，達成共識。
• 防止雙重支出：PBFT通過確保僅由可信賴的節點同意有效的交易來防止雙重支出。任何引入欺詐性交易的嘗試都將很快檢測和拒絕。

定向無環圖（DAG）

定向的無環圖（DAG）是傳統區塊鏈結構的替代方法，並使用其他方法來達成共識並防止雙重支出。在DAG中，交易直接相互鏈接，形成了圖形的結構。

• 交易驗證：在DAG​​中，每個新事務必須參考並驗證一個或多個以前的交易。這創建了一個相互聯繫的交易網，必須對網絡運行有效。
• 共識：通過交易的累積驗證達成了DAG中的共識。如果許多隨後的交易引用了交易，則將其視為有效，並且是共識的一部分。
• 防止雙重支出：DAG通過確保兩次花費相同硬幣的任何嘗試都會造成衝突的交易，以防止雙重支出。這些衝突很容易被網絡檢測和解決，從而確保了分類帳的完整性。

常見問題

問：單個節點會破壞共識過程嗎？

答：在大多數共識機制中，單個節點不會破壞共識過程。例如，在POW和POS中，一個節點的動作不足以改變區塊鏈，而無需大多數其他節點的同意。在PBFT中，只要不超過總節點的三分之一，就可以忍受單個惡意節點。

問：不同的共識機制如何影響區塊鏈的可擴展性？

答：不同的共識機制對可伸縮性具有不同的影響。 POW以高能消耗和較慢的交易處理時間而聞名，這可能會限制可擴展性。另一方面，POS和DPO可以更快，更少的能量處理交易，從而可以提高可擴展性。 DAG由於其並行交易驗證提供了高可擴展性，但在大型網絡中達成共識方面可能面臨挑戰。

問：是否有任何不需要能源密集型採礦的共識機制？

答：是的，幾種共識機制不需要能源密集型採礦。 POS，DPO和PBFT是此類機制的例子。這些替代方案依靠不同的方法，例如經濟風險或投票系統，無需計算能力就達成共識。

問：共識機制如何處理網絡分區？

答：共識機制對網絡分區的處理方式有所不同。如果網絡被分配，POW和POS可以繼續運行，但它們可能會暫時導致多個競爭鏈。一旦解決了分區，通常將最長或最累積的工作鏈視為有效的鏈。 PBFT和DPO可能需要其他協議來處理分區，例如暫停網絡，直到恢復連接或實施對帳過程以合併單獨的鏈條。