区块链技术利用去中心化的分布式网络，构建了一个杜绝腐败的系统，同时显著提升了安全性、透明度和不可篡改性，这已是众所周知的事实。然而，你是否曾思考过，在这样一个没有中心权威的系统中，是如何进行管理的？交易决策又是如何得到验证的呢？
区块链技术最重要的承诺之一，是建立一个无需信任的点对点系统。在这个系统中，社区成员共同参与，验证交易的真实性。但是，你是否好奇过，这一切究竟是如何实现的呢？答案是：不同的区块链采用了不同的方法，这些方法被称为区块链共识算法。
这些算法，也称为共识协议，是一套网络运行的规则集合。如果你对这些内容感兴趣，那么请继续阅读我们的综合指南，我们将深入探讨区块链共识算法的定义、目标、运作机制，以及目前最流行的两种算法之间的区别。
区块链的运作原理
区块链本质上是一个信息记录系统，其特点是信息一旦记录，便无法更改或被入侵。它也被称为分布式账本技术（DLT），通过使用去中心化的加密哈希技术，创建了一个安全且透明的数字资产历史。
尽管区块链的运作机制较为复杂，但我们可以用一个简单的类比来理解它的工作原理，那就是谷歌文档。与传统的复制和传输文档不同，你可以通过谷歌文档与团队共享并分发文档。
谷歌文档采用分散式的分发链，使得所有团队成员都能同时访问文档。任何对文档的修改都会被实时记录，并且是公开透明的，因为没有任何成员被排除在外。
在区块链中，每个区块都包含若干笔交易。每当用户在区块链上添加新交易时，交易记录都会被添加到所有参与者的账本中。
类似地，当链中的某个区块被修改时，所有参与的计算机都能清晰地看到这一改动。任何试图破坏系统的黑客，都必须在链的每个分布式版本中修改所有区块，这无疑是一项极其艰巨的任务。
什么是区块链共识机制？
共识机制是一种规则框架，任何没有上级中央机构的人都可以通过它来做出决策，并确保协议得到遵守。区块链共识算法，指的是区块链网络中的用户或对等方，就区块链的实时状态达成共同协议或共识的过程。
共识协议使区块链网络能够保证可靠性，并在不同的参与者之间建立信任，同时确保分布式账本内的安全性。 共识算法已成为区块链中每个区块链应用程序（DApps）项目的不可或缺的一部分。
区块链共识机制通常负责以下三个方面：
- 它们确保链中的下一个区块是唯一正确且真实的记录版本。
- 它们防止恶意攻击者获得 51% 的哈希算力，从而篡改系统并成功分叉链。
- 它们确保网络的可靠性，这体现在多个节点的存在上。这是至关重要的，因为它保证了网络的完整性。共识机制最关键的功能是防止用户多次花费相同的加密货币（即双重支出）。
与区块链公司不同，信用卡和借记卡公司等其他金融服务提供商并不采用共识机制，因为他们完全控制着自己的网络。每当您使用他们的信用卡时，系统都会将信息发送到中央数据库。信用卡用户信任这些公司能够在交易过程中保护他们的数据和交易流程。
由于只有信用卡公司控制其整个网络，他们有权撤销或审查任何交易。除了审查权和无法解决争议外，大多数集中式数据库极易受到黑客攻击和腐败的风险。
进入区块链和加密货币时代，在去中心化网络中进行可信、不可篡改和可追溯的点对点交易成为了现实。由于这类网络中没有中央或上级机构强制执行既定规则，因此不同类型的区块链共识算法可以确保网络中的每个参与者都同意并按照规则行事。
区块链共识机制的目标
以下是区块链共识机制的主要目标：
#1. 达成统一协议
达成统一协议是共识机制的首要目标之一。嵌入在区块链分布式网络中的协议，确保在此过程中输入的所有数据都是真实准确的，并且账本的状态保持最新。因此，用户无需与同行建立信任即可进行交易。
#2. 创建共同的经济激励
由于区块链是一个自我调节的去信任系统，所有参与者的利益必须保持一致。在这种情况下，区块链共识算法在调节经济激励的同时，奖励那些遵守规则的人，并惩罚不良行为者。
#3. 公平和公正
共识协议确保所有感兴趣的用户都可以使用相同的基础知识参与网络。因此，它证明了区块链系统的去中心化和开源特性的合理性。
#4. 消除故障
共识机制方法还确保区块链是一致的、可靠的、无故障的。这意味着系统可以在任何时候独立工作，包括在故障和威胁的情况下。
区块链共识算法的类型：工作量证明与权益证明
区块链生态系统中存在许多共识算法，并且还有更多正在开发中。因此，每个用户或创业者都必须熟悉不同共识机制的特点，并知道如何识别较差的共识机制。在了解了区块链共识算法的基础知识后，接下来我们将深入探讨两种最流行的共识方法的优缺点。
工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）是使用最广泛的区块链共识方法。两者都规范了点对点交易的验证过程，并将其添加到区块链的公共分布式账本中，而无需中央授权。了解 PoW 与 PoS 之间的差异，可以帮助您更轻松地评估您的加密货币投资组合。
什么是工作量证明（PoW）？
工作量证明共识方法最早出现于 1990 年代初期，用于处理垃圾邮件。其核心思想是，计算机在发送电子邮件之前需要执行少量的工作。虽然这项工作对于任何发送一两封合法电子邮件的人来说是微不足道的，但对于任何打算发送大量邮件的人来说，它需要大量的资源和计算能力。比特币的创造者中本聪是第一个将这项技术应用于数字货币的人。
a. 区块链排序
如你所知，区块链是由一系列区块组成的，这些区块按时间顺序排列，代表着交易组。基于工作量证明的区块链中的第一个区块被硬编码到软件中，称为区块 0 或创世区块。虽然第一个区块不引用任何先前的区块，但进入区块链的所有其他区块都必须引用先前的区块。每个区块都携带着更新后的账本副本。
b. 能源消耗
工作量证明算法使用竞争机制来决定由哪个参与者（加密货币矿工）来调整账本。矿工必须消耗计算能力，以产生符合网络规则的有效区块提议。
运行比特币软件的计算机（称为节点）负责验证交易、防止双重支出，并确定是否有任何提议的区块应该加入链。比特币矿工相互竞争，通过称为“哈希”的过程，求解复杂的数学难题来创建新区块。这些数学难题难以解决，但网络可以轻松验证正确的解决方案。
c. 参与方式
PoW 共识方法将计算能力与密码学相结合，以建立共识并验证记录在区块链中的交易。参与哈希过程的矿工必须生成数学难题的正确答案，才有资格将新区块添加到链中。
参与的矿工会猜测一串伪随机数。当这些数字与区块中的信息结合，并通过哈希函数进行计算时，必须提供与算法预先设定的条件相匹配的解决方案。
一旦得出答案，系统会将获胜的哈希值广播到网络，以便其他矿工可以验证其有效性。如果其他矿工验证了哈希值，该区块将被添加到区块链中，而成功的矿工将通过区块奖励获得补偿。
d. 奖励分配
成功挖出一个在网络中被接受为有效区块的人，会收到一个区块奖励，通常以新的加密货币的形式发放。对于像比特币这样的加密货币，区块链会在创建给定数量的区块后，系统地减少区块奖励金额，以保持资金总量的有限和通货紧缩。
什么是权益证明（PoS）？
权益证明（PoS）共识方法是对 2012 年首次亮相的 PoW 的一种改进。PoS 共识协议的目标，不再是仅仅依靠计算机相互竞争来生成正确的哈希值，而是允许通过持有特定加密货币来参与。其主要目的是解决 PoW 高能耗的问题，以确定区块链的排序。
PoS 算法使用一组预先确定的因素，从硬币所有者中伪随机地选择一个节点来向区块链提出下一个区块。选定节点的作用是验证区块内交易的有效性，并对区块进行签名，将其提议到区块链进行验证。
a. 区块链排序
与 PoW 机制一样，PoS 共识方法由一系列按时间顺序排列的区块组成。基于 PoS 的区块链中的第一个区块也被硬编码到创世区块软件中。添加到区块链的所有后续区块都必须引用前一个区块，并携带更新后的账本完整副本。然而，与 PoW 方法不同的是，参与节点不会竞争被选中添加区块。因此，新区块通常是伪造或铸造的，而不是开采的。
b. 能源消耗
基于 PoS 的区块链以采用节能系统来决定由谁来提出新区块而闻名，它不依赖于高能耗和计算能力。PoS 共识机制的支持者认为它是一种环保机制，在这种机制中，单个节点被指定负责创建新区块，而不是相互竞争。
由于 PoW 挖矿和 PoS 铸造都需要能源消耗，因此挖矿和铸造节点会被激励使用尽可能廉价的电力形式，这些电力通常来自水力发电、风能或太阳能等可再生资源，而不是煤炭等温室气体排放资源。
虽然 PoS 矿工只需要一个活跃的互联网连接和少量的能源，但另一方面，PoW 矿工必须购买专用硬件（GPU）、挖矿设备和其他昂贵的设备，才能有机会生产区块。
c. 参与方式
要参与 PoS 共识方法，并有机会被选中将区块添加到链中，用户需要在特定的智能合约中质押或锁定特定数量的区块链代币。你被选中的机会取决于你投入的加密货币数量。
恶意行为或违反既定规则的用户，最终可能会失去他们的股份作为惩罚。PoS 算法采用了其他几个决定因素来避免只偏爱最富有的节点，其中一些包括纯随机化或节点质押硬币的时间长短。
d. 奖励分配
与 PoW 共识机制类似，成功提出有效区块的用户会获得区块奖励，通常以区块链的加密货币形式发放。尽管如此，由于硬币的所有权决定了谁被选中，一些加密货币交易所也提供质押服务，代表用户放置股份，以换取定期支付。
PoW 与 PoS：未来属于哪里？
我们对工作量证明与权益证明区块链共识算法的判断是，两者使用不同的方式来实现相同的目的。然而，由于权益证明在市场上仍然相对较新，因此现在就断定哪一个是绝对的赢家可能是不公平的。
PoW 一直是比特币和以太坊等大多数原始区块链中传统的共识机制。然而，以太坊正在采用新的 PoS 协议，以展示新兴共识方法的潜力。
PoW 共识机制经受住了时间的考验，并已证明自己是一种保护区块链安全的方式。然而，它对网络的可扩展性产生了负面影响，从而对交易产生了不利影响。如今，个人很少有机会参与挖矿，因为拥有强大计算能力的大型集中式挖矿组织已经接管了这一领域，使得相关成本难以维持。
另一方面，PoS 算法更加节能，其下的网络具有更高的可扩展性和更高效的交易。然而，该机制为参与者质押的加密货币提供的安全性较低。
结论
PoS 的出现是为了解决 PoW 机制固有的缺陷，而且毋庸置疑，它在能源效率方面表现突出。然而，考虑到比特币坚持使用 PoW，而以太坊倾向于 PoS，这两种区块链共识算法在可预见的未来可能会继续共存。
你可能也会对了解区块链节点感兴趣。