加密中的共识机制

介绍

在深入讨论共识机制之前，我们先来了解一下“共识”的含义。根据 Google 的说法，“共识”是指一个群体之间达成的普遍共识。

区块链是一种可以创建安全透明的记录保存系统的技术。它使用分布式账本，这意味着交易记录存储在网络中的多台计算机或节点上，而不是由单个中央机构控制。

为了有效地管理和操作像区块链这样的去中心化系统，所有参与者必须就系统的当前状态和资产所有权达成一致。

共识机制的类型

工作量证明

工作量证明 (PoW) 是比特币网络普遍使用的第一种共识机制，用于实现分布式共识。在 PoW 中，矿工们竞相解决数学难题，以验证交易并在区块链上创建新区块。第一个解决难题的矿工将新区块添加到链中并获得奖励，通常以一批新硬币或代币的形式。

PoW 已用于保护许多最大、最知名的区块链网络，包括比特币和之前的以太坊。PoW 的主要优势之一是其强大的安全性。高计算能力要求可确保网络安全，因为您需要 51% 的网络计算能力才能欺骗链。然而，PoW 也是能源密集型的，因为矿工必须使用大量电力来为他们的计算机供电并执行解决难题所需的计算。它会导致高成本和大量的碳足迹。此外，PoW 的可扩展性不如其他共识机制，因为处理交易和创建新区块所需的时间可能会随着网络上交易数量的增加而增加。

                   工作量证明机制可视化

权益证明

权益证明 (PoS) 是一些区块链网络为实现分布式共识而采用的一种共识机制。在 PoS 中，交易验证者和新区块创建者是根据他们在网络中的权益而不是他们的计算能力来选择的，就像在工作量证明中一样。

验证者必须在网络上持有一定数量的硬币或代币，称为“权益”。锁定代币以保障网络安全的过程称为权益。

与 PoW 相比，PoS 具有多项优势，包括更高的能源效率，因为它不需要矿工执行计算密集型工作来验证交易和创建新区块。PoS 还具有更高的可扩展性，因为它允许更高的交易吞吐量，并且每秒可以处理更多交易。然而，PoS 可能导致中心化，因为拥有最多代币的人将最有可能被选中来验证交易和创建新区块。它可能给更重要的利益相关者带来不公平的优势，并导致缺乏去中心化。

一些使用 PoS 机制的区块链是Solana、以太坊和Polkadot

                 权益证明机制可视化

委托权益证明

委托权益证明 (DPoS) 是特定区块链网络用于实现分布式协议的共识算法。在 DPoS 中，代币持有者可以将其投票权委托给一组“代表”或“见证人”，他们负责验证交易并向区块链添加新区块。代币持有者通过投票流程选择这些代表，每次投票的强度取决于投票者持有的代币数量。DPoS 系统通常有一定数量的代表，得票最多的顶级代表负责验证交易并向区块链添加新区块。这些代表还维护网络的安全性和完整性，并通过部分交易费和在网络上创建的新代币作为其工作的报酬。

DPoS 的目标是比工作量证明和权益证明更高效、更快捷，因为它需要更少的资源来达成协议并将新区块添加到链中。它比权益证明更民主，允许所有代币持有者参与网络治理并选择代表他们的代表。

使用此机制的几个网络是Eos、Steem和Tron。

                 委托权益证明机制可视化

实用拜占庭容错[PBFT]

实用拜占庭容错 (PBFT) 是一种共识算法，用于在分布式系统（尤其是区块链网络）中实现分布式共识。它是为了解决拜占庭容错问题而开发的，拜占庭容错是指即使系统的某些组件发生故障或行为不正确，系统仍能正常运行的能力。在 PBFT 中，一组称为“副本”的节点共同协作以就系统状态达成共识。每个副本都维护系统状态的副本，并且它们相互通信以就状态达成一致。PBFT 使用基于领导者的方法，其中一个副本被选为领导者，并负责提出对系统状态的更改。然后，其他副本验证提议的更改并投票决定是接受还是拒绝它们。如果大多数副本同意提议的更改，则将其应用于系统状态。

PBFT 具有高度容错性，即使某些副本发生故障或行为不当，它仍可继续运行。它也很高效，副本之间只需相对较少的消息即可达成共识。PBFT 通常用于分布式系统（包括区块链网络），以可靠高效地实现分布式共识。

一些使用此机制或其变体的网络是Ripple、Tendermint和Hedera （或 Hashgraph）。

                   PBFT 机制可视化

权威证明

权威证明 (PoA) 是一些区块链网络用来达成分布式共识的共识算法。它是 PoW 和 PoS 共识算法的替代方案。在 PoA 系统中，网络中的节点是根据其声誉和可信度来选择的，而不是根据其计算能力（如 PoW）或他们持有的代币数量（如 PoS）。这些节点称为“验证者”，负责验证交易并向区块链添加新区块。

PoA 的设计目标是比 PoW 和 PoS 更高效、更快速，因为它需要更少的资源来达成共识并将新区块添加到链中。它也更安全，因为验证者是经过精心挑选的，并且应该以网络的最佳利益行事。PoA 非常适合在私人或联盟区块链网络中使用，在这些网络中，参与者是知名且值得信赖的，并且重点是效率和安全性而不是去中心化。

几个使用 PoA 机制的网络以太坊经典、VeChain，以及一些以太坊测试网络，如预合并的Goerli、Rinkeby和Kovan。

                 权威证明机制可视化

活动证明

活动证明（也称为 PoA，但我们将其表示为 PoAc，以区别于权威证明）是一些区块链网络用来达成分布式共识的共识算法。它是 PoW 和 PoS 共识算法的组合，将 PoW 的安全性与 PoS 的能源效率相结合。在 PoAc 系统中，网络中的节点必须执行 PoW 和 PoS 任务来验证交易并向区块链添加新区块。PoW 任务涉及解决复杂的数学问题，而 PoS 任务涉及持有和质押一定数量的网络原生加密货币。

PoAc 旨在改善 PoW 和 PoS 的弱点，将 PoW 的安全性与 PoS 的能源效率相结合。它还旨在比 PoS 更加去中心化，因为它允许更广泛的参与者为网络的安全性和完整性做出贡献。然而，PoAc 系统仍然容易受到某些类型的攻击，例如“无利害关系”攻击，这可能会破坏网络的安全性。只有少数区块链网络使用 PoAc 共识机制，这是一种相对较新且具有实验性的方法。

一些使用活动证明机制的网络是Decred和Espers。

共识机制的优缺点：

总体而言，共识机制确实实现了跨网络的去中心化，但也存在一些值得考虑的缺点：

1. 中心化：在尝试实现去中心化网络时，其中一些机制往往会导致权力集中在少数实体手中。PoW 和 PoS 最容易受到这种影响，从而破坏了其去中心化。

2. 能源消耗：PoW 网络需要很高的计算能力，从而导致高能源消耗，对环境产生负面影响。

3. 易受攻击：某些机制易受攻击，例如 51% 攻击、Sybil 攻击和“无利害”攻击。我们将在下一篇文章中介绍这些攻击。

现在我们已经在更广泛的层面上讨论了优缺点，让我们深入研究每一种共识机制并了解其优缺点。

工作量证明（PoW）

优点

1. 在实现网络去中心化的同时，PoW 机制有助于提高网络的安全性，因为它对 51% 攻击具有很强的抵抗力。任何此类攻击都需要很高的计算和电力成本，因此攻击者很难成功。

2. 与其他机制一样，PoW 允许建立无需许可的网络，而无需依赖任何中心化权威机构来授予挖矿许可。

缺点

1. 如上所述，由于需要解决复杂的计算，它比其他机制具有更高的能耗。

2. 高昂的计算和能源成本也导致了较高的进入门槛，使小规模矿工难以参与。

3. 最后，由于解决复杂数学问题的要求很高，这种机制通常比较慢，难以快速处理大量交易。

权益证明（PoS）

优点

1. 与PoW机制不同，PoS机制只需要一小部分能量来验证交易和创建新区块，从而节省能源。

2. 此外，它的准入门槛较低，因为你不需要任何大量的前期资本，可以用小额资本开始耕种或挖掘奖励。与 PoW 网络不同，它让参与变得更容易。

3. 与遵循 PoW 机制且交易速度仅为每秒 3-7 TPS 或 Txn 的比特币不同，Solana 和以太坊等 PoS 网络的交易速度超过 10,000 TPS。它还有助于解决 PoW 机制的任何可扩展性问题。

缺点

1. 除了容易受到“无利害关系”攻击和由于少数拥有巨额资本的农民控制网络而容易受到中心化的影响之外，PoS 机制还有一些缺点。首先，区块链行为取决于利益相关者，他们可能会出于自己的利益行事，而不是为整个网络的需求服务。

2. 其次，这些机制缺乏奖励激励。由于质押代币没有任何困难，因此奖励明显低于需要解决复杂数学问题的 PoW 机制。反过来，这可能会阻碍参与，并使网络安全变得更加困难。

委托权益证明（DPoS）

优点

1. DPoS 比其他共识机制能够实现更快的交易处理速度和更高的交易容量，因为它使用的代表数量较少，通常比 PoW 或 PoS 系统中的矿工数量要少。它还有助于提高任何网络的可扩展性。

2. 顾名思义，DPoS 网络允许利益相关者参与网络治理，并将投票权委托给他们选择的代表。它使网络的决策更有效、响应更快，并有助于构建更加多样化的网络。

3. 与 PoS 或 PoW 机制相反，DPoS 有助于降低集中化风险，因为代表主要由利益相关者选举产生，如果他们的行为不符合网络的最佳利益，就可以被替换。

缺点

1. 虽然这确实有助于降低集中化风险，但将权力交给少数代表会更容易破坏网络。这也被称为勾结，一群人为了他们的利益而联手行动。这还可能导致停滞或不活跃，负责验证交易的代表必须积极参与网络，从而减慢网络速度。

2. 与 PoS 网络一样，DPoS 网络在验证交易和创建区块方面的奖励低于 PoW 网络。这可能会阻碍参与。

权威证明（PoA）

优点

1. 与 PoS 和 DPoS 网络一样，PoA 允许更快的处理速度，因为所需的验证器数量比 PoW 网络少得多。与 PoW 网络相比，它也使其更具可扩展性。

2. PoA 允许许可网络，因为只有预先批准的验证者或权威机构才能参与共识过程。它可以在供应链管理案例中提供帮助，因为已知有负责参与共识过程的权威机构。它还有助于改善治理流程，因为授权实体的身份是已知的，并且可以对其行为负责。

缺点

1. 与 DPoS 网络一样，PoA 网络也容易受到勾结的影响，因此高度依赖验证者的行为。

2. 此外，它的准入门槛也很高，因为只有预先批准的验证者才被允许参与共识过程，这使得新实体更难参与。这也导致网络缺乏多样性。

实用拜占庭容错（PBFT）

优点

1. 与前面提到的网络类似，PBFT 也具有快速的处理速度，从而具有可扩展性。这主要是因为即使少数节点发生故障，网络也能正常运行。

2. 由于即使某些节点发生故障或不可用，PBFT 仍可以正常运行，因此它具有高可用性。对拜占庭故障的抵抗力以及从网络中检测和排除故障节点使网络比其他机制更安全。

缺点

1. 与 PoA 类似，它有一组预先批准的实体运行节点，导致缺乏去中心化和对实体行为的依赖。

2. 与 PoA 网络一样，它也具有较高的进入门槛，因为只有预先批准的节点才被允许参与共识过程，这使得它缺乏多样性且难以进入。

3. 虽然它在交易速度方面更具可扩展性，但它只能在一定程度上扩展。在 PBFT 中，我们让每个节点与网络中的每个其他节点进行通信。随着节点数量的增加，与网络中的每个其他节点进行通信变得更加耗费资源且具有挑战性。这可能会导致交易时间变慢，从而降低其速度。

活动证明（PoAc）

优点

1. 与上述机制一样，PoAc 的能耗比 PoW 要低。与 PoW 网络相比，PoAc 还具有更高的可扩展性和安全性。

2. PoAc 结合了 PoW 和 PoS，在 PoW 提供的安全性和 PoS 提供的可扩展性和能源效率之间取得平衡。

缺点

1. 由于它是 PoS 和 PoW 机制的结合，因此比 PoS 或 PoA 机制更为复杂。

2. 由于给予的奖励是按照质押的代币数量的比例给出的，因此奖励比 PoW 机制要少，从而让人参与不积极。

3. 最后，与 PoW 一样，由于解决复杂问题所需的计算能力，因此进入成本很高。

结论

总之，共识机制在区块链网络的运作中起着至关重要的作用，对于实现分布式共识至关重要。我们在本博客中介绍了几种类型的共识机制，包括工作量证明、权益证明、委托权益证明、权威证明、实用拜占庭容错 (PBFT) 和活动证明，每种机制都有各自的优缺点。

选择共识机制会对区块链网络的安全性、可扩展性和能源效率产生重大影响。用户必须了解各种共识机制及其优缺点，才能做出明智的选择。随着区块链生态系统的发展和变化，人们可能会创建新的共识机制或修改现有的共识机制。我们仍需要在本博客中介绍更多共识机制，因为一组实体或个人可以通过多种方式达成共识。

总体而言，选择共识机制是一项至关重要的决定，可能会对区块链网络的成功和可持续性产生长期影响。对于用户和开发人员来说，仔细考虑不同共识机制的优缺点并选择最能满足其特定用例需求的机制至关重要。