【幣圈】區塊鏈的共識機制與算法

■區塊鏈主要有3種常見的共識機制，分別為PoW、PoS、DPoS

簡單來說這就是一種保護各網路節點間傳遞的訊息不被修改，並決定誰取得區塊鏈的記帳權、可領取獎勵(加密貨幣)的區塊鏈共識算法。

1.PoW (Proof of Work ) 工作量證明 : 可稱為算力挖礦

PoW共識機制是區塊鏈中使用最廣泛的方法之一，最早是由比特幣(BTC)普及，你可以把它想成在這個區塊鏈中，有一群礦工透過大量消耗電腦CPU、電量、時間，來解一道稱為PoW工作量證明的數學難題。

為什麼說PoW工作量證明是個數學難題呢？前面有提到，PoW工作量證明是共識機制的一種，這是個高難度的協議程式碼，採用密碼學安全傳輸訊息的方式，達到防止篡改(不可更改)的特性。

以比特幣來說，這個區塊鏈任何人都可以加入，在比特幣網路中的人被稱為礦工，而使用電腦CPU的電力和時間來運算PoW工作量證明稱為挖礦或算力挖礦，簡單來講，比特幣網路大約每10～15分鐘生成一個區塊

N個礦工可以開採出X個區塊，這裡就涉及到共識機制的作用：

(1)它不允許任何一個人或實體，控制整個區塊鏈系統。

(2)共識機制可以保持區塊鏈更新，確保每一個被添加到區塊鏈的區塊都是真實和唯一的。

後來不同的區塊鏈架構，也衍生出使用顯示卡、甚至開發出專門做運算的礦機來挖礦，都是為了取得工作量證明，並從中獲取獎勵，也間接維持了區塊鏈的運作。

2.PoS (Proof of Stake)權益證明(又稱股權證明) : 稱為持幣挖礦

權益證明機制PoS (Proof of Stake)不消耗大量電力、能源來取得新的區塊，而是消耗大量的權益(金錢)來取得新的區塊，也就是說，

PoS是用加密貨幣的抵押數量，來取代礦工的運算力，必須花錢購買加密貨幣，並將這些加密貨幣抵押在智能合約中。

PoW共識機制下開採節點的稱為礦工，而PoS共識機制下開採節點的稱為驗證者，依代幣持有量來取代PoW機制下的運算力。

PoS共識機制下，會依照幣齡(Coin Days)以隨機的方式，選擇下一個區塊的驗證節點。

幣齡也會用來計算在新區塊能獲得多少獎勵，每個代幣每天都會產生1幣齡，可以把它想像成當你越早持有某公司的股權，幣齡就會加權。

幣齡計算方式= 代幣質押的天數 × 質押的幣數

假設你有10個代幣，持有代幣10天，幣齡 = 10 × 10 = 100。

成功幫忙打包一個新區塊會獲得一定的加密貨幣獎勵(利息)。

利息計算方式 = 幣齡 × 年利率 ÷ 365

舉例來說，在一個年利率 5% 的系統內，

驗證者可獲得：100 × 5% ÷ 365 = 0.0137 個貨幣

獲得獎勵後幣齡就會歸0，並且重新累積到下一次的新區塊產生(必須等待一段時間)，

這樣是用來防止較大的權益節點主導區塊鏈。

在PoS中，提升記帳權(獲得獎勵)機率的方式：

• 加密貨幣抵押數量越多
• 加密貨幣抵押時間越長
• 距離上次獲得記帳權越久的節點

3.DPoS (Delegated Proof Of Stake)權益委託證明 :稱為投票挖礦。

DPoS權益委託證明機制有3個主要運作方式，分別為投票(Voting)、票選見證人(Witnesses)、票選代表人(Delegates)。

1. 投票(Voting)

在DPoS系統中，用戶透過投票來選擇見證人(用戶信任的其他用戶)， 獲得最多票的人就有驗證交易的權利。

選票是根據持有的加密貨幣數量而定， 越多的加密貨幣可以轉換為更多的選票，算是一種類似民主的投票過程。

2. 票選見證人(Witnesses)

得票高的人可以成為見證人，由幾位見證人負責記帳，也被稱為超級節點。

見證人的數量取決於項目方的設定， 這是固定的數量，例如使用DPoS的EOS幣有21個見證人、BTS幣有101個見證人。見證人負責驗證交易和創建區塊，完成任務後就能獲得相關報酬， 這種工作可以想成是PoW中的礦工身份。

每當見證人在時效內生產區塊，就可以收取費用獎勵，但如果見證人沒有生產出區塊就得不到獎勵， 同時還有可能在未來被投票出局而失去見證人身份。投票在DPoS是一個持續的過程，因此見證人有可能被一個獲得更多投票的用戶取代， 見證人彼此之間是非常競爭的。

3. 票選代表人(Delegates)

DPoS系統中的使用者可以投票選出代表人(負責維護網路的受信任人)， 主要的工作是監督整個區塊鏈協定的管理和性能，但不負責交易驗證與區塊生產。

例如：代表可以提議改變一個區塊的大小、要付給見證人多少獎勵費用， 一旦代表們提出提議，區塊鏈的用戶就可以投票決定是否採用這些內容。

這也意味著，投票者可以將選票，投給會給予他們最大回饋的對象，有機會讓利潤更加平均一點。

■區塊鏈各種共識算法比較

■不同產業如何使用區塊鏈？

區塊鍊是一種新興技術，並且正以創新的方式為各產業所採用。我們在以下小節中描述了不同產業的一些使用案例：

●能源

能源公司使用區塊鏈技術來建立對等能源交易平台並簡化對可再生能源的存取。例如，考慮以下用途：

1.以區塊鏈為基礎的能源公司為個人之間的電力銷售建立了一個交易平台。擁有太陽能板的屋主會利用這個平台來將多餘的太陽能銷售給鄰居。該流程自動化程度很高：智慧型電錶建立交易，而區塊鏈進行記錄。

2.透過以區塊鏈為基礎的眾籌計畫，使用者可以在缺少能源的社群中讚助和擁有太陽能板。一旦太陽能板建成，贊助商也可能會收到這些社群的租金。

●金融

銀行和證券交易所等傳統金融系統使用區塊鏈服務來管理線上付款、帳戶和市場交易。例如，在整個亞洲提供金融交易服務的投資控股公司 Singapore Exchange Limited 利用區塊鏈技術建置了更高效的銀行間付款帳戶。透過採用區塊鏈，他們解決了幾個挑戰，包括數千筆金融交易的批次處理和手動對帳。

●媒體與娛樂

媒體和娛樂產業的公司使用區塊鏈系統來管理著作權資料。

 Sony Music Entertainment Japan 使用區塊鏈服務來提高數位版權管理效率。他們已成功使用區塊鏈策略來提高生產力及降低著作權處理成本。

●零售

零售公司使用區塊鏈來追蹤供應商和買方之間的貨物移動。例如，Amazon 零售已為分散式總帳技術系統申請了專利，其中該系統將使用區塊鏈技術來驗證平台上銷售的所有貨物是否都真實可靠。Amazon 賣方允許製造商、外送員、經銷商、最終使用者和次要使用者等參與者在憑證授權單位註冊後向總帳新增事件，進而映射其全球供應鏈。 

■各種加密貨幣的共識機制