在区块链技术中，共识使得协议层的节点能够独立地就分类账的状态达成一致。这些机制更新链的状态，确保其操作完整性，从而实现有序的去中心化。

区块链必须保持准确的记录以正常运行。与银行不同，区块链没有中央机构来保存所有记录。相反，在去中心化网络中，所有节点是平等的。当不同的区块同时广播时，网络必须决定遵循哪条链。决定遵循哪条链的机制被称为共识。

共识机制是确保去中心化网络安全的关键因素。在更新区块链之前，节点必须就当前状态达成一致。这种自动化过程可以防止错误并保护网络免受双花（double-spending）或女巫攻击（Sybil attacks）等威胁。

分布式共识是完全自动化并按照程序执行的。因此，用户信任区块链的完整性依赖于技术，而非第三方。所以，共识机制的逻辑和实现必须是无懈可击的。

比特币作为第一个主流区块链，于2009年采用了工作量证明（PoW）共识机制，使之成为最早的共识机制之一。然而，随着时间的推移，已经出现了其他更具创新性的共识算法。本文将为您提供以下共识机制的概述：

工作量证明（PoW）

PoW是最早的共识算法之一，其工作原理基于博弈论。许多流行的区块链，如比特币、莱特币和狗狗币，都采用了这种机制。矿工在找到新区块时必须完成复杂的计算任务，这被称为挖矿。

这就是PoW的实际运作方式。

让我们逐步分析。首先，通过重复哈希解决计算问题的矿工可以公布结果给网络。网络中的其他节点可以验证其有效性，如有必要，会有竞争发生。这便是共识机制的作用。区块链采用各种哈希函数进行工作证明，例如，比特币使用SHA-256。挖矿不仅推动算法运行，还提高了PoW协议的安全性。这使攻击变得困难，因攻击者需投入巨大成本，可能对他们并无利益。

随着矿工计算能力解决随机数问题，挖矿难度逐渐增加。工作量证明机制奖励发现有效随机数的矿工。由于经济效益，众多矿工加入挖矿竞赛。尽管找到有效随机数困难，但验证区块是否被有效添加相对容易。

优点

缺点

在某些国家，这些要求难以满足，导致那里的居民无法参与共识。

权益证明机制(PoS)

权益证明机制（Proof of Stake，简称 PoS）是一种创新的共识算法，其核心思想是让验证者通过锁定一定数量的本机资产来保护区块链。这种机制最初被设计为工作量证明（Proof of Work，简称 PoW）的一种更加优越的替代方案。2022年，以太坊（Ethereum）决定放弃 PoW，转向采用更为节能且去中心化的 PoS 机制。其他知名的区块链项目，如 Tezos 和 Cardano，也已纳入 PoS 机制作为他们的核心协议。

在去中心化金融（DeFi）领域，质押通常是指将资产锁定以获得随时间推移的奖励。PoS 机制要求验证者将其本地资产锁定在智能合约中。因此，对于采用 PoS 机制的协议来说，确保其智能合约安全性至关重要。

每位验证者都有权创建和传播新的区块，同时负责检验并确认其对等节点广播的所有新区块的有效性。如果验证者不诚实地行事，他们将面临失去锁定资产的风险。这种设计旨在激励验证者保持诚实并维护区块链的安全性。

需要注意的是，在 PoS 和 PoW 机制中，对不诚实验证者的惩罚方式是相似的。然而，在 PoS 中，验证者会失去他们的质押资产，而在 PoW 中，他们会失去投入在硬件和电力上的资金。

优点

缺点

委托权益证明（DPoS）

Daniel Larimer 在 2014 年基于 PoS 机制设计了 DPoS 模型。一些流行的区块链，如 Cosmos 和 Tron，采用了一种名为 DPoS 的 PoS 变体。在这种机制中，并非所有锁定特定数量原生资产的人都能成为验证者。相反，一些被选定的代表（最好称为“见证人”）代表其他人做出决策。

利益相关者有权选举见证人代表他们。如果出现不当行为，利益相关者还可以通过投票对见证人进行“弹劾”。DPoS 具有民主的观念和设计。

优点

缺点

实用拜占庭容错 (pBFT)

拜占庭将军问题（Byzantine Generals Problem）描述了在存在不忠实将军的情况下达成协议的复杂性。pBFT 共识机制是一种可以抵御不诚实验证者的安全模型。当 ⅔ 的诚实节点达成一致时，共识便会形成。Hyperledger、Fabric 等知名区块链正在采用这种机制。

然而，如果不诚实的节点超过了网络中所有节点的 ⅓，pBFT 的安全性就会受到影响。在 pBFT 中，节点分为主节点和次节点。主节点是领导节点，而次节点则是备份节点。主节点在每轮共识过程中都会发生变化。

优点：

能源效率：与 PoW 不同，pBFT 不需要任何功耗或高级计算能力。这使其更加高效且容易运行。

高吞吐量：pBFT 机制能够方便地处理高吞吐量，因为节点可以快速交互并验证交易。节点的决定是最终的，因此不需要区块最终性确认。如果节点对任何块的有效性提出异议，节点之间的争端也能够得到快速解决。

缺点：

不可扩展：pBFT 主要是为小型区块链设计的。由于节点之间需要频繁的通信，它无法扩展到更大的区块链。随着交易数量的增加，同意和批准这些交易将需要更多时间。

易受女巫攻击：当一个人或一个团体负责网络中的多个不诚实节点时，就会发生典型的女巫攻击。如果不诚实的节点多于诚实的节点，他们就可以操纵并接管链。

权重证明 (PoWeight)

由 Yossi Gilad 领导的六名麻省理工学院研究人员为 Algorand 区块链开发了一种共识机制。他们的主要目的是寻找解决拜占庭将军问题的算法模型。最终，他们发现了一种基于权重分数的共识算法，并将其命名为权重证明 (PoWeights)。

在该机制中，每个用户都被赋予一定的权重，其权重取决于其账户中所拥有的代币数量。算法随机选举委员会成员，选举结果基于用户的权重。这种随机性降低了一个或多个不诚实用户被选中的概率，从而确保了系统的安全性。为了确保系统的安全性，诚实用户必须拥有网络总资金的2/3。否则，不诚实的节点可以接管系统。

尽管 PoWeights 的设计可能看起来与 PoS 相似，但两者各有不同。在 PoWeights 中，用户只需持有代币，无需锁定或质押。

优点：

出色的定制性和可扩展性： PoWeights 是一种共识模板，任何协议或区块链都可以对其进行调整以更适合其架构设计。例如，Filecoin 是一种流行的存储协议，它使用 PoWeights 共识机制，但在不同的维度上。它根据用户拥有的数据量对其用户进行权衡，并将其称为时空证明。这展示了创造性的区块链如何定制这种共识机制。

快速交易确认：只有委员会成员，而不是所有用户，决定交易的有效性。这加快了在 PoWeights 区块链上确认交易的速度。

能源效率：权重证明不需要消耗大量的能源，相反，它只需要用户在他们的钱包中拥有原生资产即可。

缺点：

缺乏激励措施：工作证明、股权证明和其他算法通过奖励网络参与者来维持网络运行。然而，这并不适用于权重证明，因为委员会成员不会因验证交易而获得奖励。

半中心化：委员会成员以一种违背区块链去中心化精神的方式变得中心化。他们可能变得不诚实并欺骗用户。

容量证明 (Proof Of Capacity)

容量证明（PoC）是一种流行的区块链共识算法，也被称为空间证明。该算法于2015年正式推出，由Stefan Dziembowski和Sebastian Faust提出。Burstcoin是第一个使用该算法的项目。

在PoC中，矿工需要证明他们拥有足够的存储空间来挖掘加密货币。硬盘是最常用的存储设备。在挖矿开始前，矿工需要准备好随机数。矿工只能在硬盘上创建尽可能多的随机数。网络持续播放谜题，随机数中最接近哈希值的矿工将获得奖励。

优点：

无需特殊硬件：PoC算法非常易于设置。未来的矿工只需要购买硬盘并创建尽可能多的随机数，无需购买昂贵的特殊硬件设备。实际上，硬盘比ASIC等特殊硬件表现更好。

更加去中心化：由于硬盘价格低廉，几乎每个人都可以成为PoC矿工。这种友好的可访问性导致更多的去中心化，因为每个人都可以参与，而不仅仅是少数买得起昂贵小工具的人。

缺点：

易受研磨攻击（Grinding Attack）：当矿工可以欺骗算法成为矿工时，就会发生研磨攻击。在PoC的情况下，矿工可以操纵链以始终请求其随机数中的哈希值，从而比其他人挖掘更多并获得更多奖励。

空间特权适用：由于矿工经常得到一块空间异常大的硬盘，他们可以创建更多随机数并解决更多难题。这对于硬盘空间相对较少的用户来说是不公平的。

权威证明（Proof Of Authority）

为确保区块链的安全性，必须对矿工进行彻底的尽职调查。一些共识机制忽略了这一过程，导致不诚实的矿工获得了控制权。

权威证明是一种共识机制，其中验证者可以抵押自己的身份来修复这一漏洞。在PoA共识模型中，首先需要确定每个验证者的真实身份。网络管理员将审核潜在验证者的可信度，因此可以更容易地跟踪任何验证者的违规行为。其次，每个验证者必须抵押一定数量的资产作为承诺的标志。基本上，PoA验证者将他们的声誉与他们的硬币放在一起。

优点：

交易速度快：权威证明只有几个经过审查的验证者，因此交易有效性决策更快。

更严格的安全性：协议管理者会审查验证者的真实生活细节，如果验证者作弊，则更容易对他们采取法律措施。这使得该机制更加安全。

使用更少的能源：权威证明需要能量来运行，但是它不会像工作量证明那样消耗大量能源。

缺点：

不去中心化：PoA不是去中心化的，因为它只有少量的验证者，结果共识权力只集中在一个或少数人手中。

打破匿名性：区块链保护每个用户的匿名性以实现链上隐私，但是权威证明公开了验证者的数据。

重要性证明（Proof of Importance）

重要性证明（PoI）是一种共识机制，用于改进权益证明机制。首先，权益证明机制使验证者锁定他们的资产并不再与之进行交易。其次，它仅根据他们的赌注对验证者进行评级。

重要性证明不仅如此。该算法根据三个变量对节点进行评级：

1.账户里有多少钱？2.账户与协议内其他人进行交易的频率如何？3.每笔交易量是多少？

这三个问题构成了一个账户或节点的重要性。重要性证明机制鼓励网络参与者持有资产并与之进行交易。

优点：

防止女巫攻击：当不诚实的验证者控制多个不诚实的节点来操纵区块链时，就会发生女巫攻击。默认情况下，PoI中的评分系统使任何人运行假节点的成本都非常高。

防止囤积：PoS区块链中的验证者必须锁定他们的资产，从而将这些资产囤积在流通之外。重要性证明效果更好，因为它鼓励资产的自由流动。

奖励一般参与：PoI不仅仅是质押资产，它确保每个矿工都积极参与网络活动，尤其是在交易频率和交易量方面。

缺点：

偏爱富人：那些交易量大的人更频繁地被赋予更多的重要性，这对于没有太多资金的其他网络参与者来说可能是不公平的。

激励太小：验证者不会挖掘具有很大权力的区块，因此，他们不像PoS中的验证者那样受到激励。对于那些将节点作为企业运行的人来说，这种低激励可能是一笔糟糕的交易。

结语

区块链试图保持去中心化、可扩展性和安全性的三脚架平衡，这也反映在它们选择的共识机制上。区块链根据其架构和技术偏好选择共识机制。

从安全的角度来看，区块链共识机制的弱点可能成为被操纵的漏洞。这强调了区块链应始终进行协议审计以确保其协议是防篡改的。

FAQ

哪种共识机制最好？

没有绝对最好的共识机制。它们都有优点和缺点，这取决于区块链的性质以及创始团队所要权衡的因素。

共识机制有哪些类型？

共识机制有多种类型，包括工作量证明、权益证明、委托权益证明、能力证明和重要性证明等。

什么是区块链中的共识机制？

共识机制是指区块链中出块、成为验证者以及验证者之间达成一致的方式。