节点如何达成共识？它如何防止双重支出？

了解加密货币的共识机制

在加密货币的世界中，节点在保持区块链网络的完整性和功能方面起着至关重要的作用。节点本质上是通过验证交易并将其添加到区块链中来参与网络的计算机。这些节点面临的关键挑战是达成共识，这是关于区块链状态的协议。共识机制是关键方案，可确保所有节点都在交易的有效性及其添加到区块链的顺序上一致。本文探讨了节点如何达成共识以及这些机制如何阻止双重支出，这是数字货币中的重大问题。

工作证明（POW）

最早，最广为人知的共识机制之一是工作证明（POW） 。由Bitcoin引入的POW要求的节点（称为矿工）可以解决复杂的数学问题来验证交易并将其添加到区块链中。这个称为采矿的过程涉及找到符合特定标准的哈希，这需要重要的计算能力。

• 采矿过程：矿工竞争解决哈希难题。第一个解决的矿工可以在区块链上添加新的交易块，并获得新铸造的加密货币的奖励。
• 共识：一旦矿工解决了难题并添加一个块，其他节点就会验证解决方案。如果大多数节点都同意解决方案是正确的，则将块添加到区块链中，并达成共识。
• 防止双重支出：POW可以通过确保将交易包含在块中并添加到区块链中，从而防止双重支出，从而更改其需要重新挖掘该块和所有后续块，这在计算上是不可行的。

股份证明（POS）

股份证明（POS）是另一种共识机制，旨在实现与POW相同的目标，但使用不同的方法。 POS不再需要计算能力，而是依赖于参与者在网络中拥有的经济利益。

• 验证过程：在POS中，选择验证者根据其持有的硬币数量并愿意将其作为抵押品创建新块。验证器赌注的硬币越多，选择验证交易的机会就越高。
• 共识：选择验证器后，他们提出了一个新的交易块。然后，网络中的其他节点验证块。如果多数人同意，则将区块添加到区块链中，达成共识。
• 防止双重支出：POS通过确保验证者具有诚实行动的经济动机来防止双重支出。如果验证者试图验证欺诈性交易，他们可能会丢失储存硬币，从而使双重支出高度无利可图。

授权的股份证明（DPO）

授权的股份证明（DPO）是POS的一种变体，它为共识过程增加了一层民主。在DPO中，网络参与者投票选举少数负责验证交易并创建新块的代表。

• 选举过程：网络中的用户根据他们的信任和对他们的信心对代表进行投票。当时，最高投票的代表负责维护区块链。
• 共识：当选的代表轮流提出和验证块。如果大多数代表都同意一个区块，则将其添加到区块链中，达成共识。
• 防止双重支出：类似于POS，DPO通过确保代表在网络中拥有股份并享有声誉来防止双重支出。如果代表试图验证欺诈性交易，他们有可能失去自己的立场和股份。

实用的拜占庭容错（PBFT）

实用的拜占庭式容错（PBFT）是一种共识机制，旨在供许可的区块链网络，所有节点都是已知和信任的。 PBFT在在最多三分之一的节点可能是恶意的环境中达成共识特别有效。

• 共识过程：在PBFT中，Leader Node提出了一个新的交易块。然后，其他节点在多轮沟通中对拟议的块进行投票，直到达成共识为止。
• 共识：如果在块上同意的超差异（通常为三分之二加一个），则将其添加到区块链中，达成共识。
• 防止双重支出：PBFT通过确保仅由可信赖的节点同意有效的交易来防止双重支出。任何引入欺诈性交易的尝试都将很快检测和拒绝。

定向无环图（DAG）

定向的无环图（DAG）是传统区块链结构的替代方法，并使用其他方法来达成共识并防止双重支出。在DAG中，交易直接相互链接，形成了图形的结构。

• 交易验证：在DAG​​中，每个新事务必须参考并验证一个或多个以前的交易。这创建了一个相互联系的交易网，必须对网络运行有效。
• 共识：通过交易的累积验证达成了DAG中的共识。如果许多随后的交易引用了交易，则将其视为有效，并且是共识的一部分。
• 防止双重支出：DAG通过确保两次花费相同硬币的任何尝试都会造成冲突的交易，以防止双重支出。这些冲突很容易被网络检测和解决，从而确保了分类帐的完整性。

常见问题

问：单个节点会破坏共识过程吗？

答：在大多数共识机制中，单个节点不会破坏共识过程。例如，在POW和POS中，一个节点的动作不足以改变区块链，而无需大多数其他节点的同意。在PBFT中，只要不超过总节点的三分之一，就可以忍受单个恶意节点。

问：不同的共识机制如何影响区块链的可扩展性？

答：不同的共识机制对可伸缩性具有不同的影响。 POW以高能消耗和较慢的交易处理时间而闻名，这可能会限制可扩展性。另一方面，POS和DPO可以更快，更少的能量处理交易，从而可以提高可扩展性。 DAG由于其并行交易验证提供了高可扩展性，但在大型网络中达成共识方面可能面临挑战。

问：是否有任何不需要能源密集型采矿的共识机制？

答：是的，几种共识机制不需要能源密集型采矿。 POS，DPO和PBFT是此类机制的例子。这些替代方案依靠不同的方法，例如经济风险或投票系统，无需计算能力就达成共识。

问：共识机制如何处理网络分区？

答：共识机制对网络分区的处理方式有所不同。如果网络被分配，POW和POS可以继续运行，但它们可能会暂时导致多个竞争链。一旦解决了分区，通常将最长或最累积的工作链视为有效的链。 PBFT和DPO可能需要其他协议来处理分区，例如暂停网络，直到恢复连接或实施对帐过程以合并单独的链条。