加密货币中的共识机制

介绍

在深入探讨共识机制之前，我们先来了解一下共识的含义。根据谷歌的说法，共识是指群体之间达成的普遍协议。

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。

为了有效地管理和运营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的所有权达成一致。

共识机制的类型

工作量证明

工作量证明（PoW）是比特币网络广泛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 已被用来保护许多最大和最著名的区块链网络，包括比特币和之前的以太坊。 PoW 的主要优点之一是其强大的安全性。高计算能力要求可以保证网络安全，因为您需要 51% 的网络计算能力来欺骗链。然而，PoW 也是能源密集型的，因为矿工必须使用大量的电力来为计算机供电并执行解决难题所需的计算。它可能导致高成本和大量碳足迹。此外，与其他共识机制相比，PoW 的可扩展性较差，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。

权益证明

权益证明（PoS）是一些区块链网络用来实现分布式共识的共识机制。在 PoS 中，交易的验证者和新区块的创建者是根据他们在网络中的权益而不是计算能力来选择的，就像工作量证明一样。

验证者必须在网络上持有一定数量的代币或代币，称为“权益”。这种锁定代币以提供网络安全性的过程称为质押。我们已在此处简要介绍了这一点。

与 PoW 相比，PoS 具有多个优势，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 还可以更具可扩展性，因为它允许更高的交易吞吐量，并且每秒可以处理更多数量的交易。然而，PoS 可能会导致中心化，因为那些拥有最多硬币或代币的人将有最好的机会被选中来验证交易并创建新区块。它可能会给更重要的利益相关者带来不公平的优势，并导致权力下放的缺乏。

使用 PoS 机制的一些区块链是 Solana、Ethereum 和 Polkadot

委托权益证明

委托权益证明或 DPoS 是特定于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过程选择这些代表，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，拥有最多选票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，并通过部分交易费用和网络上创建的新代币获得工作报酬。

DPoS 的目标是比工作量证明和权益证明更高效、更快速，因为它需要更少的资源来达成协议并向链中添加新区块。它比权益证明更加民主，允许所有代币持有者参与网络的治理并选择代表他们的代表。

使用此机制的一些网络是 Eos、Steem 和 Tron。

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（特别是区块链网络）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，系统也能正常运行的能力。在 PBFT 中，一组称为“副本”的节点协同工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否接受或拒绝它们。如果大多数副本同意建议的更改，它们就会应用于系统的状态。

PBFT 被设计为具有高度容错性，因为即使某些副本发生故障或行为异常，它也可以继续运行。它也很高效，副本之间需要相对较少的消息才能达成共识。 PBFT 常用于包括区块链网络在内的分布式系统中，以可靠、高效地实现分布式共识。

使用此机制或其变体的一些网络包括 Ripple、Tendermint 和 Hedera（或 Hashgraph）。

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节点的声誉和可信度来选择的，而不是根据其计算能力（如在 PoW 中）或它们持有的代币数量（如在 PoS 中）。这些节点称为“验证器”，负责验证交易并向区块链添加新块。

PoA 的设计比 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向链中添加新区块。它也更安全，因为验证者是经过精心挑选的，并且期望以网络的最佳利益为出发点。 PoA 非常适合在私有或联盟区块链网络中使用，这些网络中的参与者是已知和可信的，并且重点是效率和安全性而不是去中心化。

使用 PoA 机制以太坊经典、VeChain 的多个网络，以及一些以太坊测试网络，例如预合并 Goerli、Rinkeby 和 科万。

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于达成分布式共识的共识算法。它是 PoW 和 PoS 共识算法的结合，将 PoW 的安全性与 PoS 的能源效率结合起来。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的能源效率结合起来。它还比 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。只有少数区块链网络使用 PoAc 共识机制，这是一种相对较新的实验性方法。

使用活动证明机制的一些网络是 Decred 和 Espers。

共识机制的优点和缺点：

整体来看，共识机制确实实现了跨网络的去中心化；有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一小群实体手中。 PoW 和 PoS 最容易受到这种影响，从而破坏了它的去中心化。
2. 能源消耗：PoW网络需要高计算能力，导致高能源消耗，这对环境产生负面影响。
3. 易受攻击：某些机制容易受到攻击，例如51%攻击、Sybil攻击和“无利害关系”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点和缺点，让我们深入研究每种共识机制并了解其优点和缺点。

工作量证明（PoW）

优点

1. 在实现去中心化网络的同时，PoW机制因其对51%攻击的高抵抗能力，有助于使网络更加安全。任何此类攻击都需要高昂的计算和电力成本，使得攻击者难以实施。
2. 与其他机制一样，PoW 允许无许可网络，而无需依赖任何集中式机构来获取有关挖矿的许可。

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壁垒，使得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较高，这种机制通常速度较慢，难以快速处理大量交易。

股权证明 (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并创建新区块，使其节能。
2. 它的进入门槛也很低，因为您不需要任何大量的前期资金，并且可以用少量资金开始农业或采矿奖励。与 PoW 网络不同，它使参与变得更容易。
3. 与遵循 PoW 机制、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 网络的交易速度大于 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. PoS机制除了容易受到“无利害关系”攻击以及由于拥有巨额资金控制网络的农民较少而容易受到中心化的影响之外，还存在一些缺点。首先，区块链的行为取决于利益相关者，他们可能会为了自己的利益而行动，而不是服务于整个网络的需求。
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，它可能会阻碍参与，并使网络安全变得更具挑战性。

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和更高的交易容量，因为它使用较少数量的委托人，通常少于 PoW 或 PoS 系统中的矿工数量。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的治理，并将投票权委托给他们选择的代表。它可以带来更有效的决策和响应性网络，并有助于建立更加多样化的网络。
3. 与 PoS 或 PoW 机制相反，DPoS 有助于降低中心化风险，因为代表主要由利益相关者选举产生，如果代表不符合网络的最佳利益，则可以被替换。

缺点

1. 虽然它确实有助于降低中心化的风险，但将权力交给少数代表会使破坏网络变得更容易。它也被称为共谋，一群人联合起来为自己的利益行事。它还可能导致停滞或不活动，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，它还使其更具可扩展性。
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。它可以在有已知负责机构参与共识过程的供应链管理案例中提供帮助。它还有助于改进治理流程，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 网络也容易受到串通，使其高度依赖于验证者的行为。
2. 它的进入门槛也很高，因为只有预先批准的验证者才可以参与共识过程，这使得新实体更难参与。它还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 还允许快速处理速度，从而实现可扩展性。这主要是因为网络如何正常运行，即使少数节点发生故障也是如此。
2. 由于PBFT即使在某些节点发生故障或不可用的情况下也能正常运行，因此具有高可用性。对拜占庭故障的抵抗以及从网络中检测和排除故障节点使网络比其他机制更加安全。
   

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. 它的进入门槛也很高，与 PoA 网络一样，只有预先批准的节点才能参与共识过程，缺乏多样性，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，与网络中每个其他节点的通信变得更加资源密集且具有挑战性。它可能会导致交易时间变慢，从而使其速度变慢。
   

活动证明（PoAc）

优点

1. 与上述机制一样，PoAc 的能耗比 PoW 更低。相对于 PoW 网络，它也更具可扩展性和安全性。
2. PoAc 结合了 PoW 和 PoS，在 PoW 提供的安全性与 PoS 提供的可扩展性和能源效率之间提供了平衡。

缺点

1. 由于它是 PoS 和 PoW 机制的结合，使得它比 PoS 或 PoA 机制更加复杂。
2. 由于奖励是按照质押代币数量的比例给出的，因此奖励低于 PoW 机制，导致参与度较低。
3. 最后，与 PoW 一样，由于解决复杂问题所需的计算能力，它的进入成本很高。

结论

总之，共识机制在区块链网络的运行中发挥着至关重要的作用，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，每种机制都有自己的优点和缺点。缺点。

选择共识机制可以显着影响区块链网络的安全性、可扩展性和能源效率。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。我们仍然需要在这篇博客中介绍更多的共识机制，因为一组实体或人可以通过多种方式达成共识。

总的来说，选择共识机制是一个至关重要的决定，可以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一种机制至关重要。