区块链如何达成共识？

什么是区块链共识？

区块链共识是指分散网络中的所有节点都同意交易的有效性和分类账的当前状态的机制。没有中央权威，跨分布式系统达成协议对于维持诚信和防止欺诈至关重要。共识确保每个参与者以相同的顺序记录相同的数据，即使某些节点试图操纵或伪造信息。这个过程是区块链技术无信任性质的基础，使用户可以在不依靠中介机构的情况下安全地进行交易。

工作证明（POW）：原始共识机制

Bitcoin引入了工作证明（POW） ，并且仍然是最广泛认可的共识算法之一。在POW中，矿工竞争使用计算能力来解决复杂的加密难题。第一个解决难题的矿工将解决方案广播到网络进行验证。经过验证后，将新区块添加到区块链中，矿工将获得奖励。

• 矿工将未经证实的交易收集到候选人区域
• 他们反复计算块标头的哈希，调整非CE值，直到哈希满足网络的难度目标
• 获胜的矿工在整个网络上传播街区
• 其他节点在将块附加到链条副本之前独立验证了块的有效性这个过程使篡改非常昂贵，因为攻击者需要控制网络总计算能力的50％以重写历史记录。

  股份证明（POS）：节能替代方案

  股份证明（POS）用经济股份代替了计算工作，作为验证块的基础。 POS系统使用验证器，而不是矿工，他们将一定数量的加密货币锁定为抵押。该协议选择验证者根据其股份和其他因素（例如放入持续时间或随机化）提出并证明新块。
• 验证者将令牌锁定成签订合同
• 网络算法选择一个验证器来创建下一个块
• 其他验证者验证块并签署其正确性
• 如果验证者不诚实地行事，则可以部分或完全削减其股份与POW相比，这种设计大大降低了能源消耗，并将验证器激励措施与网络安全保持一致，因为恶意行为可能会有财务损失。

  授权的股份证明（DPO）和投票机制

  授权的股份证明（DPO）引入了一个基于投票的治理模型，在该模型中，令牌持有人选出有限数量的代表或证人代表他们验证交易。这些当选的节点负责在旋转时间表中产生块。
• 代币持有者使用其固定令牌投票给代表
• 顶级候选人（例如，EOS中有21个）成为块生产商
• 生产商轮流以计划的间隔创建和签名
• 如果生产商未能产生块，则将其投票并替换该系统可实现更快的交易处理和更高的吞吐量，但由于依赖一小组验证者而增加了集中化风险。

  实用的拜占庭容错（PBFT）和其他变体

  实用的拜占庭容错（PBFT）用于许可区块链和一些混合模型。即使某些节点表现出恶意或失败，它也可以确保共识。 PBFT通过节点之间的一系列消息交换来运行，以同意单个状态。
• 一个节点充当领导者（主要），而其他节点是复制品
• 客户端将请求发送给主人，该请求将其广播到所有复制品
• 节点在回合中交换消息：预备，准备和提交
• 当一个节点接收到足够的匹配消息（2f+1，其中f是最大的故障节点数）时，它将提交结果PBFT迅速达到终结性，并且在已知参与者的网络中有效，尽管由于节点间通信的量大量，但可伸缩性受到限制。

  其他共识模型和混合方法

  除了主要模型之外，还存在几种替代和混合共识机制。权威证明（POA）依赖于预先批准的身份验证的验证者，使其适用于私人或财团区块链。 Solana使用的历史证明（POH） ，使用可验证的延迟功能来创建历史记录，改善吞吐量。空间证明（POSPACE）和容量证明（POC）允许参与者使用可用的磁盘空间作为参与共识的资源。一些平台结合了机制 - 例如，以太坊使用POS进行块验证，但结合了随机性和削减条件以增强安全性。每个模型都平衡了权力下放，安全性和可扩展性之间的权衡。

  节点如何执行共识规则

  区块链网络中的每个节点都运行了协议软件中嵌入的相同共识规则。当新块到达时，节点在接受之前执行一系列检查。
• 验证块中所有交易的加密签名
• 确保通过对现有分类帐进行检查不会发生双重支出
• 确认块哈希符合当前的难度目标（在POW中）或正确选择了验证器（在POS中）
• 验证先前的块参考以维持链连续性如果任何检查失败，节点会拒绝块，并且不会传播它。这种自主验证可确保仅接受合规块，从而加强网络范围的协议。

  常见问题

  是什么阻止了节点躺在块的有效性上？节点使用相同的共识规则独立验证每个块。如果节点试图传播无效的块，则其他节点会拒绝它。由于未接受无效的块，不诚实的节点没有任何好处，并且可能被黑名单。

  如果某些节点离线，可以达成共识吗？是的。大多数共识机制旨在耐受一定数量的非活动或故障节点。例如，POS和PBFT可以运行，只要超过三分之二的活动节点是诚实且连接的。

  最长的链条如何确定工作证明？最长的链条是具有最积累的工作证明的链条，不一定是块最多的链条。节点始终扩展代表最大总计算工作的链条，以确保整个网络的对齐。

  所有区块链都使用相同的共识规则吗？否。不同的区块链根据其目标实施不同的共识机制。 Bitcoin使用POW，以太坊使用POS，波纹使用基于受信任验证器的共识协议，而IOTA使用有向的无环图（DAG）与基于协调员的共识。