深入了解共识机制，对支付的影响和可扩展性的权衡｜重构精选知识

区块链是分布式点对点系统，任何人都可以访问，但没有一个实体可以拥有或控制它。与其说是使用受信任的第三方，不如说是通过共识机制来达成协议，使分布式点对点网络的协调成为可能。

不同分布式各方之间的共识就是集中式系统中的公司治理，因为这两个过程都涉及协调不同各方的行动，并就任务和决策达成协议。对于区块链支付网络来说，正确处理、结算和验证交易并防止重复消费是非常重要的。在区块链中，达成共识是如何处理和结算交易的关键部分。

简单地说，这关系到资源，在区块链网络中达成共识意味着能够达成一个共同的状态，同时保持网络的分布式性质。

所有开放的公共区块链都是基于这样的理念：即使有冲突，也应该能够在分布式网络中达成共识，而不把控制权放在一个地方。工作证明（PoW）和获取证明（PoS）是实现共识的两种最著名的算法。在这篇文章中，我们从技术架构、协调机制和经济激励等方面来研究PoW和PoS，以了解它们的特点和权衡。

今天我们再次整理了“加密的思想领袖“系列专栏的内容，跟大家深入探讨发现共识机制对支付的影响和可扩展性的权衡。

分布式系统已经存在了很长时间了。分布式系统在其最简单的形式下，是一个计算机的集合，共同完成一个共同的目标。但它们与区块链有什么联系？

嗯，如果没有分布式系统的发展，区块链所取得的所有进步首先是不可行的。区块链本质上是一种新的分布式系统。在一个分布式系统中，几个进程（如计算机）相互沟通，共同实现一个共同目标（如解决一个计算问题）。

The Merge在整个加密社区已经讨论了一段时间，该事件在2022年9月成功完成。合并可以说是以太坊历史上最大的技术升级，是以前被称为“以太坊2.0”的更大转型的一部分，这个过程还包括以太坊网络的共识机制从工作证明（PoW）过渡到权益证明（PoS）。

▵ 区块链内涉及的各层的堆栈

区块链是一个点对点的分布式数据库，用于维护记录。共识算法是必不可少的，因为区块链是分布式系统，在将数据记录在区块链上之前，没有中央机构检查数据。谁来发布后续区块的决定是区块链技术的一个重要组成部分。这个问题通过将几种共识模式中的一种付诸实施来解决。

在无权限的区块链网络中，通常会有许多节点同时竞争发布下一个区块。这样做的通常动机是为了赚取以加密货币和/或交易费用支付的奖励。它们通常是不同的、独立的服务器，只能通过公共地址进行通信。每个节点的动机可能是货币收益，有时不是其他发布节点甚至是网络的福利。区块链技术通过使用共识模型，使人们有可能在相互不信任的情况下进行合作。

在分布式系统中建立共识是具有挑战性的，因为共识算法需要经受住节点故障、网络分割、消息延迟、失序的消息到达和损坏的消息攻击。他们还必须应对自私的和有目的的恶意节点。为了解决这个问题，目前的研究文献中已经开发了几种算法，每一种算法都对同步性、消息广播、故障、恶意节点、性能和消息安全性做出了必要的假设。通过实现共识，区块链网络可以确保网络中的每个节点都同意区块链的相同全球状态。一个共识协议的适用性和有效性可以根据三个基本特征来评估：

• 安全性：如果所有节点都产生相同的输出，并且输出按照协议的要求是有效的，那么共识机制被认为是安全的。

• 有效性：如果所有参与的、无故障的节点最终都能产生一个值，那么共识协议就能保证其有效性。

• 容错性：如果一个共识协议能够在一个参与的节点发生故障时恢复，它就提供了容错性。

根据不同区块链背后的开发者和他们各自对共识机制的选择，一些共识过程可能会优先考虑效率和速度，而另一些可能会优先考虑安全性。支付可能受益于更快的共识形成技术，尽管更安全的共识过程在某些情况下可能是有益的，如供应链管理或高价值交易。

共识方法结合了Sybil抵抗机制，这是一种保护网络免受攻击者通过聚集网络的大多数投票权而获得控制权的方法，同时也结合了链式选择规则（又称叉子选择规则）。在多个区块占据同一位置的情况下，链式选择规则使节点能够在链的头部选择一个正确的区块。例如，比特币使用最长的链规则，这意味着区块链的最长版本被节点的参与者认为是有效的。对于PoW链，最长的链是由链的总累积PoW难度决定的（将在下文PoW部分具体解释）。

在加密货币领域最知名的Sybil攻击是“51%攻击”，攻击者控制了网络的大部分计算能力，也称为“哈希率”。在这种情况下，恶意行为者理论上可以影响交易的顺序，阻止新交易的确认，并重复消费加密资产。抵御这些攻击对于分布式区块链的正常运行至关重要。PoW和PoS是对Sybil攻击的有效经济威慑，因为它们要求用户消耗能量或发布抵押品，以参与网络验证。每个验证者或矿工都必须有“游戏中的皮肤”才能参与到分布式加密系统中，这是抵抗Sybil机制的关键所在。

PoW最早是在20世纪90年代初提出的，但中本聪（一个匿名的个人或团体）是第一个为数字货币实现该技术。PoW是支持比特币的一项重要创新。PoW的非正式术语是“采矿”，这误导了共识的主要功能。挖矿的真正目的是确保区块链的安全，同时保持系统控制的分散性，并在尽可能多的参与者中分布。

▵ Proof of Work

PoW使用双重奖励机制（区块奖励和交易费用）来激励节点参与者在网络上的积极性，确保网络的可扩展性，同时保留其去中心化的特点。在比特币区块链上成功解开谜题的节点可以将他们的区块添加到区块链上，并获得新的比特币作为区块奖励（被称为coinbase）。奖励每四年减半。

目前，截至2022年11月，每个区块发放6.25个比特币作为奖励，从2020年5月的12.5个比特币减少到6.25个比特币。2024年，区块奖励预计将从每个区块6.25比特币减少到每个区块3.125比特币，代表下一个比特币减半。节点参与者获得的第二类奖励是交易费。交易费越高，节点就越有可能验证交易，导致交易时间加快。PoW机制使许多节点参与到网络中，这往往使网络具有可扩展性。单个节点控制网络并进行欺诈性交易的概率随着网络规模和hashrate而下降。这种方法有助于确保该机制足够强大，以维护网络安全。

在PoW中，矿工竞争产生一个数据块，其中包括三个变量：等待验证的新交易，前一个区块的历史，以及向矿工支付奖励的新交易。当数据块被加密 "散列 "后，这个数据块必须满足一个复杂的数学方程式。网络维护着一个未经确认的交易池，矿工可以从中选择任何他们想要验证的交易。在将交易添加到他们的区块中之前，矿工会检查它是否有发送者的数字签名，以及发送者是否已经在之前的交易中获得了足够的硬币，该交易也被记录在区块链上的一个区块中。

在PoW区块链中可以使用不同的散列技术（例如，比特币使用SHA256散列函数）。在SHA256散列函数中，一个区块必须有一个256比特长的散列输出，并以特定数量的前导零开始，才能有效（称为难度）。通过增加一个被称为nonce的数字并将其添加到区块的数据中，矿工不断地修改和散列区块，每次都会产生一个独特的散列输出。当它找到一个nonce和一组满足难度标准的交易时，矿工将该区块广播给其他矿工，以便他们可以验证和接受它。当更多的矿工确认一个区块的合法性时，他们会将其添加到他们的区块链版本中，并开始挖掘一个新的区块，并附加上先前区块的哈希值。

比特币的PoW系统每隔2016个区块就会调整谜题的难度，导致区块公布率大约为每10分钟一次。所需的前导零的数量根据谜题的难度而增加或减少。通过增加前导零的数量，网络使谜题更加困难，从而减少了潜在解决方案的数量。通过这种变化，目标是保持谜题的计算复杂性，这是PoW区块链的主要安全特征。

在PoW区块链网络中，节点必须投入时间、资源和计算努力，为目标找到合适的nonce值。节点经常试图解决这个具有计算难度的难题，以获得某种形式的奖励。奖励系统或激励模式是用来描述因扩展和维护区块链而获得补偿的可能性的术语。在许多依靠PoW的区块链网络中，节点通常形成 "池子 "或 "集体"，他们合作解决问题并分配奖励。这是可能的，因为一个集体可以在两个或更多的节点之间分工，以分配努力和奖励。许多人说，这表明PoW链是多么集中，但重要的是要记住，矿工可以停止向有不法行为迹象的矿池发送哈希值，因为这样做不符合他们的最佳利益。

为了帮助解决PoW共识机制的局限性，减少维护区块链网络所需的计算资源数量，引入了PoS概念。虽然PoW和PoS都有相同的目标，即达成区块链共识，但它们采取的过程是完全不同的。参与者不需要花费资源来解决计算密集型的证明，而只需要证明他们已经投了币。PoS “验证者”承担了“矿工”的角色，但他们不运行加密货币矿机，只需要持有和“押注”一定数量的PoS数字代币或硬币，以便参与验证过程。在PoS中，新区块被称为“铸造minted”或“伪造forged”，而不是 “开采mined”。

▵ Proof of Stake

质押通常是区块链网络中的参与者通过各种方法投入到网络中的加密货币的数量，如将其发送到特定的地址或通过特殊的交易类型锁定它。赌注有可能出现流氓行为，并验证错误的交易。尽管如此，一些协议已经实施了激励机制来阻止这种行为。例如，在以太坊PoS模型中，恶意验证者会受到惩罚，他们的押注的加密货币被没收，并被禁止在未来进行质押。

区块链网络使用质押的方法可能有所不同，每个选项都包括其自身的权衡。作为一个例子，正在实战区块链网络中使用的几种方法包括代表系统、多轮投票、币龄系统和随机选择被押用户。在所有这些PoS模式的变体中，加密货币在被钉在系统中时，通常不再有其他用途的流动性。

从长远来看，在PoS模式中，利益相关者的股权占区块链网络上被押注的加密货币总和的比例影响着他们发布新区块的可能性。因此，拥有较大股份的用户更有可能提出新区块。由于PoS消除了验证者不断购买和升级硬件的需要，实现抗Sybil的能力几乎不需要任何能源消耗，而且奖励机制根据验证者的网络角色而不同。

例如，在目前的Ethereum PoS模式中，对区块提案、同步委员会成员和证明的奖励是根据赌注的数量和参与率高度变化的。这些网络的设计使所有的加密货币已经分配给用户，而不是以恒定的速度产生。要了解更多关于以太坊从PoW到PoS的过渡，请参考《合并，以太坊新时代的期待》。

下表概述了工作证明（PoW）和权益证明（PoS）的基本区别/相似之处：

基于共识的安全性对于任何用于支付的区块链的成功至关重要，特别是当用例涉及在网络参与者及其网络用户之间转移大量货币价值时。

因此，共识机制是在分布式点对点网络中由相互不信任的参与者组成的网络中建立协议的关键过程。参与者可以近乎实时地为网络提出和处理付款，并就分布式账本的状态达成一致，因此了解共识方法的安全和去中心化属性在全球分布式环境中至关重要。共识建立方法帮助参与者达成协议，同时防止任何人控制网络。