要點總結
共識算法是一套規則，它使區塊鏈網絡中的所有參與者能夠就交易歷史的單一版本達成一致。
工作量證明（用於比特幣）和權益證明（用於以太坊）是當今最廣泛採用的兩種共識算法。
每種機制都會使用不同類型的權益來阻止不誠實行爲：工作量證明用計算能力和電力，而權益證明則使用被鎖定的加密貨幣。
共識算法的選擇會影響網絡的安全性、能耗、去中心化程度以及擴展能力。
簡介
共識算法是一種機制，使用戶或機器能夠在分佈式環境中進行協作協調。它需要確保系統中的所有參與方都能就單一的真實來源達成一致，即使有些參與方失敗或採取不誠實行爲。這個特性有時也被稱爲“拜占庭容錯”。
在中心化的設置中，單一實體擁有對系統的控制權，並可以根據需要進行更改。但在去中心化的設置中，挑戰是不同的：當許多彼此獨立的參與者維護一個共享數據庫時，他們需要一種方式來就哪些條目會被添加達成一致。
在陌生人彼此不信任的環境中解決這個挑戰，是區塊鏈誕生過程中的關鍵發展。本文將解釋共識算法如何工作，以及爲什麼它們對加密貨幣網絡的運行至關重要。
共識算法與加密貨幣
在加密貨幣中，用戶餘額會被記錄在一個稱爲區塊鏈的共享數據庫中。網絡中的每個節點都必須保存該數據庫的完全相同副本，這一點至關重要。如果副本不一致，你最終就會得到相互衝突的信息，從而削弱網絡的目的。
公鑰密碼學確保用戶無法花費彼此的資金。但網絡參與者仍然需要一個單一的真實來源，用來確認某筆資金是否已經被花費過。
比特幣的創建者中本聰提出了一種工作量證明（PoW）系統來協調參與者。這個PoW系統是一種共識算法類型。不過，在深入之前，讓我們先看看大多數共識算法共享的共同特徵。
權益（stake）
驗證者必須提供一定的權益：某種能夠阻止不誠實行爲的有價值的東西。如果他們作弊，就會失去他們的權益。權益可以是計算能力、加密貨幣或聲譽。
獎勵
驗證者在誠實參與時也會獲得獎勵，通常由交易費用或新創建的幣構成。
透明性
最後，系統必須透明，以便任何人都能驗證驗證者是否在正確地履行職責。
共識算法的類型
工作量證明（PoW）
工作量證明最早在比特幣中實現。在PoW系統中，驗證者（稱爲礦工）會反覆對數據進行哈希計算，直到生成的結果滿足網絡條件。哈希函數會接收任意輸入並生成固定長度的輸出。相同的輸入總會產生相同的輸出，但即使只改變一個字符，結果也會完全不同。
網絡會設定一個目標；例如，區塊哈希必須以特定數量的零開頭。礦工必須嘗試數萬億種不同的輸入，才能找到一個能產生符合要求的哈希的輸入。這需要大量專用硬件和電力。
在PoW中，你的“權益”就是那臺硬件和電力的成本。用於挖礦的ASIC機器在加密貨幣網絡之外幾乎沒有用途，因此礦工會被高度激勵去遵守規則。對於其他人而言，要驗證某個礦工是否產生了有效區塊，只需要進行一次哈希計算。
工作量證明仍然是比特幣的共識機制，並通過巨大的計算成本提供高度安全性。
權益證明（PoS）
權益證明（PoS）被提出作爲對工作量證明的替代方案。驗證者不再投入計算資源，而是將加密貨幣作爲抵押品鎖定。無需專用硬件；普通計算機即可參與其中。
驗證者提議或投票決定下一個區塊。如果區塊被接受，驗證者將獲得交易費用的一部分。如果驗證者試圖通過提議無效交易來作弊，他們將損失部分或全部被鎖定的權益。該機制稱爲“懲罰削減（slashing）”，它將工作量證明的能耗成本替換爲直接的經濟處罰。
以太坊於2022年9月從工作量證明過渡到權益證明，事件被稱爲“The Merge（合併）”。這使得以太坊成爲運行權益證明的最大網絡之一，並顯著降低了其能耗。許多其他主要區塊鏈現在也使用權益證明的變體。
權益證明帶來的一個發展是流動性質押（liquid staking）。它允許質押者爲其鎖定的資金獲得一個代表性代幣，並將其用於去中心化金融（DeFi）的其他用途。這使得參與質押的範圍擴大到了不僅限於那些能夠負擔運行完整驗證節點最低要求的人。
委託權益證明（DPoS）
在委託權益證明中，代幣持有者爲一組負責驗證交易的代表（委託人）進行投票。活躍的代表數量通常較少，因此區塊生產速度通常比標準權益證明系統更快。
代幣持有者會把投票權委託出去，而不是自己運行驗證節點。那些行爲不誠實的代表可能會被社區投票罷免，從而在經濟權益之外形成一種聲譽問責機制。DPoS被用於多種區塊鏈網絡，並將吞吐量優先於最大的去中心化程度。
常見問題（FAQ）
什麼是區塊鏈共識算法？
區塊鏈共識算法是一套規則，它使分佈式網絡中的所有參與者能夠就賬本狀態達成一致。它確保每個節點都能維護相同的交易歷史，而無需中央權威來協調各方。
工作量證明和權益證明有什麼區別？
工作量證明要求驗證者付出計算能力和電力來生成有效區塊。權益證明要求驗證者將加密貨幣鎖定爲抵押品。兩種方法都會對誠實行爲提供經濟激勵，但權益證明使用的能量要少得多。
以太坊還在使用工作量證明嗎？
不。以太坊在2022年9月通過一次名爲“The Merge（合併）”的升級轉向了權益證明。比特幣仍然繼續使用工作量證明。
權益證明網絡能被攻擊嗎？
權益證明網絡可能會被某個控制了總權益大比例份額的實體進行攻擊。懲罰削減機制被設計爲讓這類攻擊極其昂貴，因爲一旦攻擊者被抓到試圖操縱賬本，他們將損失其質押資金中的很大一部分。
爲什麼不同的區塊鏈會使用不同的共識算法？
不同的共識機制在安全性、去中心化程度、能耗和交易速度之間存在權衡。工作量證明被認爲非常安全但能耗高。權益證明更節能，但會引入不同的驗證者經濟模型。項目會根據這些因素的優先級來選擇機制。
結語
共識算法是讓分佈式區塊鏈成爲可能的基礎。它們讓彼此不瞭解或不互相信任的參與者能夠在沒有中央權威的情況下，對共享的交易歷史達成一致。理解共識如何運作，是理解區塊鏈如何運行並保持安全性的關鍵。
延伸閱讀
工作量證明（PoW） vs. 權益證明（PoS）
什麼是區塊鏈三難困境？
是什麼讓區塊鏈更安全？
什麼是比特幣，以及它如何運作？
混合型PoW/PoS共識解釋