区块链中的共识算法是什么？

Question

## 引言共识算法是一个基本机制，允许用户或机器在分布式环境中进行协调。它的主要功能是确保系统中的所有参与者就一个唯一的事实来源达成一致，即使某些组件出现故障。这个概念被称为容错性，对区块链网络的运行至关重要。在集中式系统中，单一实体控制并维护网络，可以根据其判断进行修改，而无需复杂的治理系统。然而，在去中心化系统中，情况发生了根本变化。在处理分布式数据库时，出现了一个问题：如何就纳入哪些数据达成一致?在一个参与者彼此不信任的环境中克服这一挑战，可能是为区块链铺平道路的最关键进展。本文探讨了共识算法为何对加密货币和分布式账本的运作至关重要。## 共识算法与加密货币在加密货币生态系统中，用户的余额记录在一个称为区块链的数据库中。所有节点保持这一数据库的完全相同副本至关重要，因为矛盾信息的出现可能会危及整个网络的完整性。公钥加密确保用户无法花费他人的币。然而，必须存在一个唯一的可信来源，参与者依赖于此来确定资金是否已被使用。中本聪，比特币的创造者，提出了工作量证明系统(PoW)来协调参与者。我们稍后会分析它的工作原理，但首先我们将识别现有各种共识算法之间的共同特征。最初，要求希望添加块(验证者)的用户提供保证金或“质押”。这个要素代表了验证者必须承诺的价值，以劝阻其恶意行为。如果试图欺骗系统，将失去其保证金，可能包括计算能力、加密货币或其声誉。为什么他们要冒着自己的资源风险？答案很简单：有奖励在等待着。通常，这个奖励表现为协议的原生加密货币，基于用户支付的手续费、新生成的加密货币，或者两者兼而有之。最后一个基本要求是透明性。必须能够识别出当有人试图欺骗系统时。理想情况下，验证者生成区块的成本应该高，但任何用户验证这些区块的成本应该低。这确保了验证者也受到普通用户的监督。## 共识算法类型### 工作量证明 (PoW)工作量证明(PoW)是区块链的经典共识算法。它最初与比特币一起实施，尽管这个概念早在很久以前就存在。在这个系统中，验证者(称为矿工)，对他们想要添加的数据应用哈希函数，直到产生一个特定的解决方案。哈希是通过执行哈希函数生成的一串看似随机的字符。如果输入数据相同，则结果将相同。然而，最微小的更改会产生完全不同的哈希.输出数据无法确定输入数据，从而使此功能成为有效的方法，以证明在某段时间内已知某个数据。可以将哈希值提供给第三方，并在透露数据时，该人可以验证输出是否与在函数中执行它们时的一致。在工作量证明（PoW）中，协议定义了使一个区块有效的条件。例如，它可以规定只有哈希以"00"开头的区块才是有效的。矿工创建有效区块的唯一方法是通过暴力破解，修改其数据中的一个参数以产生不同的结果，直到找到正确的结果。在主要的区块链上，难度等级非常高。为了有效竞争，需要配备ASIC的设施，这是一种专门设计的硬件，用于提高产生有效区块的几率。在挖矿中，投资对应于这些机器的成本和其运行所需的电能。ASIC专门设计用于挖矿，除了这个领域没有其他用途。收回初始投资的唯一方式是通过挖矿并成功添加新区块到区块链上来获得奖励。网络对区块的验证很简单：一次函数执行即可检查结果。如果数据生成有效的哈希，区块将被接受，矿工将获得奖励。否则，网络将使其无效，从而导致时间和电力的浪费。### 权益证明 (PoS)权益证明(PoS)在比特币的早期被提议作为工作量证明的替代方案。在PoS中没有矿工、专用硬件或大规模能源消耗。唯一需要的是一台普通电脑。还有一个基本的额外要素：对系统货币的投资。在PoS中，不再使用外部资源(硬件和电力)，而是使用内部资源(加密货币)。规则因协议而异，但通常参与质押需要最低价值。资金必须锁定在一个钱包(，不能在质押期间移动)。通常，验证者会商定哪些交易将进入下一个区块。在某种程度上，人们在赌哪个区块会被选中，让协议决定其余的内容。如果提议的区块被选中，验证者将根据其质押获得一部分交易费用。质押的数量越大，获胜的概率就越高。然而，试图通过提供无效交易来欺骗系统将导致部分或全部质押的损失。因此，建立了类似于PoW的机制：诚实行事比欺诈性行为更有利可图。一般来说，新创建的加密货币不属于验证者的奖励。因此，区块链的本地货币必须以不同的方式发行。这可以通过初始分配(例如，一个ICO或IEO)，或在协议的初始阶段使用PoW，然后过渡到PoS。截至目前，纯权益证明主要在市值较小的加密货币中实施。因此，目前尚不完全证明它是否可以成为大规模工作量证明的可行替代方案。尽管理论上看似有效，但实际实施面临不同的挑战。当PoS在信息量大的网络中实施时，该系统成为金融激励和博弈论的完美实验场。拥有"破解"PoS系统知识的人只有在有可能利用它的情况下才会尝试，因此评估其脆弱性的唯一方法就是直接在网络中进行测试。我们很快将在以太坊网络的更新中看到大规模的PoS测试，使用Casper的实现，(也被称为以太坊2.0。## 其他共识算法工作量证明和权益证明是最常见的共识算法，但还有许多其他变种，每种都有其优缺点：- 延迟工作证明- 租赁权益证明- 权威证明- 销毁证明- 委托权益证明- 混合共识 PoW/PoS## 结论达成共识的机制对于分布式系统的运行至关重要。许多人认为，比特币的最大创新在于使用工作量证明（Proof of Work）来允许用户达成一套共享的事实。目前，共识算法不仅支撑数字货币系统，还支撑允许开发者在分布式网络上执行代码的区块链。它们构成了区块链技术的基础支柱，对于现有各种网络的长期可行性至关重要。在所有共识算法中，工作量证明（Proof of Work）仍然是最常用的。事实上，至今尚未提出更可靠和安全的替代方案。然而，目前正在进行激烈的研究和开发，以取代PoW，未来几年内出现新的共识解决方案的可能性非常高。