区块链中的共识算法

加密货币网络在工作组织方式上彼此不同。由于存在去中心化，因此需要实现一个分布式账本。这是为了在避免额外成本的同时协调交易所必需的。

在本文中，我们将重点介绍一些流行的区块链算法，以了解它们的功能以及影响性能和安全性的因素。

什么是区块链共识算法？

共识机制是一种程序，网络中的所有节点通过它就分布式账本的当前状态达成普遍一致。因此，共识算法确保了区块链网络的可靠性，并在分布式计算环境中于彼此陌生的参与方之间建立可信关系。协商协议确保添加到区块链中的每一个新区块，都是该链上所有节点共同认可的唯一事实版本。区块链共识模型包含一些特定目标，例如达成一致、协作、节点平等，以及每个节点必须参与协商过程。因此，共识算法旨在找到一种对整个网络都有利的共同一致。此外，该算法还实现：

• 出块频率；
• 避免额外资金被扣划的风险；
• 检查区块中的数据。

简单来说，共识算法可以避免去中心化网络中的错误。此外，该机制的任务是为所有参与者实现互利条件。

共识算法：类型

数字货币构建于各种区块链之上，而这些区块链所采用的共识算法也各不相同。

超过 90% 的加密货币市场基于三种主要的协调算法：

Proof of Work（PoW）

Proof of Stake（PoS）

Delegated Proof of Stake（DPoS）

不过，我们不仅会介绍这些底层机制，还会介绍一些其他机制。尽管它们尚未被许多项目采用，但它们非常值得探索，并可能在未来发挥重要作用。

1. Proof of Work（PoW）

这种共识算法用于选择将生成链上下一个区块的矿工。Bitcoin、Litecoin以及区块链行业的许多其他巨头都在工作中使用 PoW。该算法的核心思想是解决由区块链生成并广播的一个复杂随机数学问题。此算法的特点是问题难以求解，但可以很容易地重新验证。这个数学谜题需要大量算力，因此最先解出谜题的节点将获得生成下一个区块的资格。PoW 致力于确保对网络的攻击成本极高，并需要较高的能源成本，因为矿工会消耗能源来提供记账和网络安全服务。该机制的缺点被认为是可扩展性有限以及吞吐量较低。

2. Proof of Stake（PoS）

这也许是最常见的 PoW 替代方案：甚至 Ethereum 也已最近从 PoW 转向 PoS 共识。在这种共识算法中，与其投资昂贵设备去解决复杂难题，不如由所谓的验证者将网络代币投入网络，锁定其中一部分作为质押（staking）。之后，所有验证者开始检查区块，并对他们认为可以被添加到链上的区块进行押注。根据实际被添加到区块链中的区块，所有验证者会获得与其质押比例相称的奖励，其质押比例也会相应增加。最终，为生成新区块，会根据验证者在网络中的经济份额来选出该验证者。因此，PoS 算法通过激励机制鼓励验证者达成共识。该机制的优点被认为是基础层可扩展性更高，并且与 PoW 相比有潜在的能源节省。缺点包括中心化风险上升，而这又会导致安全性下降。Ethereum、Peercoin、Lisk、PIVX以及其他区块链都运行在 PoS 上。

3. Delegated Proof Of Stake（DPoS）

DPoS 机制是在 PoS 基础上的发展，但它是一种基于投票系统的不同类型共识算法。与随机选取单个节点执行检查不同，代币持有者社区会使用其份额（质押）对选定数量的可信节点进行投票，这些节点通常被称为代表（delegates）。他们负责检查交易并维护网络，并以一部分交易所得的交易费用作为奖励。DPoS 可以类比为代议制民主——参与者投票选出值得信任的代表，由其代为保护网络。如果代表的行为违背大多数利益相关者的利益，投票者可以替换这些代表。DPoS 算法由 Dan Larimer 发明，并用于其起源项目中，例如 BitShares、Steem和EOS，也在其他网络中受到欢迎，例如 Tezos和Ark。DPoS 的优点是高可扩展性和更广泛的通胀分布（即新铸造的代币在验证者之间分配得更均匀），缺点则是安全性不足以及网络持续存在的中心化趋势。

4. Proof of Elapsed Time（PoET）

PoET 是最公平的共识算法之一，它仅通过诚实手段来选择下一个区块。它广泛应用于许多私有和企业区块链中，尤其是 Hyperledger。在这种算法中，网络中的每个验证者都有真正的机会创建自己的区块。所有节点都通过等待一段随机时间，并将其等待的确认信息添加到区块中来完成这一过程。生成的区块会被传送到网络中，供其他参与者审议。获胜者是在证明部分具有最小计时器值的验证者。获胜验证者节点的区块会被添加到区块链中。该算法中还有额外检查，以防止某个特定节点总是通过生成最低计时器值而赢得选举。优点方面：可见高效率和低资源占用；缺点方面：安全性较低，并依赖第三方为处理器开发一套指令集。

5. Proof of Authority（PoA）

PoA 是一种基于信誉的共识算法，它使用区块验证者的身份和声誉价值。2017 年 3 月，由 Gavin Wood 领导的 Ethereum 开发团队提出 PoA，作为解决 Ethereum 的 Ropstein 测试网络遭受垃圾攻击的方案。PoA 看起来类似于 PoS，不同之处在于验证者押注的不是代币，而是他们的声誉。受信任的节点/验证者由网络领导者选出，这使得 PoA 仅适用于私有区块链。它被用于 VeChain Thor、Microsoft Azure 等。优点：交易速度快、可扩展性高、网络维护成本低。缺点：放弃了去中心化，并且网络参与者可能存在恶意行为，而这一点几乎无法防范。

6. Proof of Capacity（PoC）

在 Proof of Capacity 共识中，验证者投资的是硬盘空间，而不是昂贵设备或燃烧代币。用于检查硬盘空间的手段越多，他们获得挖矿下一个区块并获得区块奖励的机会就越大。PoC 使用存储而非 ASIC 进行计算，因此基于 PoC 的区块链能效高得多。采用 PoC 的项目包括 Filecoin、Storj 和 Burstcoin。这种方法最明显的优点是能源效率高，缺点则在于由于易受攻击而导致安全性不足。

此外，还有其他共识算法，例如：

• Proof of Activity；
• Proof of Space and Time；
• Proof of Weight;
• Proof of Storage;
• Proof of Importance;
• Proof of Participation;
• Proof of History;
• Leased Proof of Stake;
• Proof of Burn;
• Practical Byzantine Fault Tolerance.

但目前它们的使用更多可归因于私有场景和创新，这可以作为另一篇文章的主题。

总结

所列出的每种算法都有其优点和缺点，以及可能的用途。从这一角度看，可以合理地认为它们彼此之间并非竞争关系。根据业务网络需求合理选择其中一种非常重要。 

PoW 的实现是安全且去中心化的。PoW 是加密货币的绝佳共识机制。然而，它完全不适用于社交网络和区块链游戏。 

在刚刚起步的区块链行业中，继续研究以发现新的区块链架构非常重要。新的共识机制将为区块链及尤其是加密货币技术的使用打开新的可能性。