六種區塊鏈的共識機制

原文:https://www.essentialcardano.io/article/6-types-of-blockchain-consensus-mechanisms(2022/09/21)

區塊鏈是分散式系統，其中數位交易的記錄可以被公開驗證，但不可被竄改。每筆新交易都與其他最近的交易一起被打包在區塊中，然後該區塊會被添加到其他區塊的鏈結中 (因此稱為“區塊鏈”)。

正常運行的區塊鏈需要參與者，也被稱為節點，需對每個新區塊進行驗證達成共識。區塊鏈可以使用不同的共識協議來確定"生成區塊節點"的資格。

為了確保連續性，區塊生成者必須就特定的交易歷史達成共識。這是通過特定的共識機制來實現的，共識機制保證參與者的觀點收斂到相同的歷史事件。這確保了對整個區塊鏈的信任，而無需信任特定的參與者。互相不信任的個體仍然可以參與區塊鏈，他們能放心地知道區塊鏈本身可以裁決 (判斷) 和驗證他們的行動。

不同的共識協議提供不同程度的安全性、延展性和去中心化。每種共識機制都可宣稱自己是“最佳”解決方案。

讓我們來看看這6種區塊鏈協議:

哪些是最流行的共識機制呢?

兩種最著名的共識協議是工作量證明 (Proof of Work, PoW) 和權益證明 (Proof of Stake, PoS)，但還有其他多種共識協議 (以及上述兩者的多種變異體)。讓我們深入了解這些機制的運作方式以及它們之間的區別吧。

工作量證明 (Proof of Work, PoW)

PoW是第一個區塊鏈共識機制，Satoshi Nakamoto (編按:比特幣創始人) 於2009年將這一模型應用於比特幣鏈。

PoW依賴於計算機 (礦工) 之間的競爭，以解決中等難度的謎題。下一個能夠找到可能解答的礦工，將可在區塊鏈上挖掘一個新的區塊 (編按:挖出區塊代表得到區塊獎勵)。

Ergo和以太經典鏈 (Ethereum Classic，編按:在ETH2.0前乙太坊為PoW共識機制，而乙太經典鏈，簡稱ETC，為乙太坊硬分叉出來的區塊鏈) 也使用PoW。

在決定使用PoW鏈之前，以下是一些需考慮的優點和缺點：

優點:

1. 攻擊PoW鏈需要控制網路51％的計算能力，這對駭客來說是非常昂貴的成本。

缺點:

1. PoW鏈的主要缺點是解決謎題所需的高能耗 (因為礦工們都在積極競爭挖掘區塊)。
2. 成為礦工需要昂貴且專門的硬體，因此阻礙了去中心化。
3. 由於網路的設計限制，限制了區塊大小和創建時間，因此PoW具有延展性的限制。

權益證明 (Proof of Stake, PoS)

PoS是一種較新、能源消耗較少且更永續的共識機制，比PoW更環保。通過PoS共識，區塊鏈資產的持有者可以通過將自己的權益委託給驗證者，參與保護和驗證鏈上的交易。

Peercoin於2012年推出，是第一個PoS項目。Cardano、Polygon和Tezos是三個受歡迎的PoS區塊鏈。以太坊在成功實施“合併”後，也從PoW轉向PoS。

值得注意的是，與以太坊的PoS版本不同，Cardano的PoS機制：

1. 允許「流動質押」 (即無需鎖定資產)，Cardano原生代幣的持有者可以隨時提取委託權益或將其委託給另一個驗證者 (權益池)。
2. 初始委託權益僅需要一小筆2.17 ada。
3. 不具備「懲罰」功能，因此不會不公平地懲罰委託者將權益 (編按:將ADA質押在礦池) 委託給未按預期運作的節點 (編按:Cardano中節點為礦池營運者，懲罰指的是如果節點有斷線之類不符合原本期望的行為時，會被扣款)。

Ouroboros是Cardano的PoS共識協議，也是第一個被證明為安全的PoS協議。換句話說，Ouroboros在對抗攻擊者上提供數學上可驗證的安全性。只要51％的權益由誠實的參與者 (編按:非惡意的持有者) 持有，協議就能保證安全。根據Google學術搜索，原始論文已被學術引用超過1400次，該協議的變異體被用於其他PoS鏈。

讓我們來看看PoS的優點和缺點：

優點:

1. 驗證者不需要昂貴的專門設備來設置節點，一台普通的硬體就足夠，從而鼓勵去中心化。
2. PoS協議高度節能且永續的，因為驗證者無需解決資源密集型的謎題。

缺點:

1. 在某些PoS共識機制中，驗證者必須鎖定一小部分資產 (抵押)，在一定期間內無法解鎖 (備註：這不適用於Cardano，編按:例如乙太坊)。
2. 持有最多權益或擁有多個權益池的驗證者在驗證交易時具有重大影響力，這可能帶來安全風險 (編按:單一個體掌握太大權力)。
3. 在某些鏈上，委託者和驗證者可能冒著失去部分權益 (懲罰) 的風險，如果驗證者驗證不準確的交易，或與其他驗證者離線，或對網路進行攻擊 (備註：Cardano上不存在這樣的懲罰)。
4. 擁有少數活躍驗證者或過度依賴中央託管的雲端服務 (而不是裸機自主託管節點，編按:例如採用大型科技公司的雲端服務，如AWS、google等等) 的PoS系統會降低去中心化程度。

委託權益證明 (Delegated Proof of Stake, DPoS)

DPoS是一種修改的PoS共識機制，它實現了一個投票系統，其中包含兩個角色：代表者和選民。

選民將其資產進行抵押，並選舉代表者來驗證網路上的交易。這意味著代表者成為驗證者的能力取決於他們的聲譽。一個錯誤可能會使代表者被移除並被替換。因此，保持他們的聲譽十分重要。

WAX和EOS是DPoS區塊鏈的例子。

委託權益證明 (DPoS) 共識機制的優點和缺點包括：

優點:

1. 由於驗證者的數量有限，DPoS網路的交易速度快，能實現更快的共識。
2. DPoS共識協議的區塊鏈通過投票保持安全。任何可疑的行為代表者都可以立即被投票移除。
3. DPoS區塊鏈非常節能。

缺點：

1. 由於驗證者數量相對較少，DPoS網路可能更容易遭受51％攻擊 (編按:區塊鏈共識為多數決，因此掌握過半即可更改歷史，這也是去中心化的重要性)。這種攻擊發生在超過的50％的權益由個人或團體控制的情況下。
2. 與其他共識機制的區塊鏈相比，DPoS區塊鏈更加集中，因為驗證者較少。
3. 擁有更多抵押資產的選民有較大的影響力。

授權證明 (Proof of Authority, PoA)

PoA是一種更適合私有網路的共識模型。與公共 (即無需許可) 參與不同，PoA並不是通過抵押鏈上的數位資產，而是信任一個委員會來進行驗證。

PoA共識機制決定一組固定的節點來進行鏈的維護。這些節點獲得了保護網路和驗證交易的獨家權利。

VeChain和私有網路如JP Morgan's貨幣系統使用這個機制。

PoA協議具有以下優點和缺點：

優點：

1. 與PoS一樣，這種模型節能且不需要昂貴的硬體或高計算能力。

缺點：

1. 區塊鏈由少數獲得批准的驗證者維護，這意味著它並不是真正的去中心化。
2. 成為驗證者需要大量的法幣，使大多數人參與此過程變得更加困難。

容量證明 (Proof of Capacity, PoC)

PoC，也稱為空間證明 (Proof of Space)，要求礦工用可用的磁碟空間來獲得挖礦權並驗證交易。與PoW類似，在PoC中，生產新區塊的權利會根據礦工提供於PoC系統的磁碟空間 (而不是運算能力) 的比例進行分配。

使用PoC的區塊鏈包括Chia、Signum (身為Burstcoin)、SpaceMint和Storj。

優點：

1. 區塊挖礦不需要高能耗，因為區塊生產者的選擇取決於可用的磁碟空間。
2. 任何標準硬碟都適用於PoC。
3. 在挖礦資料被刪除後，該驅動器可以用於任何其他資料存儲目的，而不像在PoW機制中硬體只能用於挖礦。
4. 節點不需要硬碟升級或使用專用硬體，只需要磁碟空間。

缺點：

1. 如果PoC模型變得更加流行，該機制會要求礦工提高自身提供的儲存容量，去提高得到驗證區塊權力的機率。

證明有用工作 (Proof of Useful Work, PoUW)：一種新的可持續共識機制

區塊鏈行業仍然相對較新，存在的時間不超過十年。組織和區塊鏈項目還在不斷探索如何構建和改進共識機制。

Input Output Global (編按:Cardano後面的三個組織之一) 就是一個例子，他們最近研究了Ofelimos — 一種新穎的證明有用工作 (PoUW) 共識機制，旨在減少PoW機制中的能源浪費。

截至撰寫本文時，尚無區塊鏈使用PoUW，該共識機制的優缺點僅是理論上的。以下是Ofelimos的可能的優點和預測的缺點：

優點：

1. PoUW確保PoW的運算能量支出至少用於解決複雜的現實世界問題。例如，DNA序列分析，分佈式計算，展開蛋白質，城市規劃等等。

缺點：

1. PoUW模型需要持續不斷的複雜現實世界問題來解決 (編按:意思推估為需要不斷輸入問題，因為該模型不能停止運算，就好比產線無添加原料空轉)，否則就會像PoW協議一樣產生不必要的運算能量損失。

深入了解此新模型可閱讀這篇深入解析文章。