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自第一笔区块链交易在比特币网络中执行开始，数字货币的世界便发生了巨大的变化。除了众所周知的工作量证明和权益证明算法之外，其他的共识机制以及在区块链系统内达成共识的方法也开始被人们所熟知。

比特币使用的工作量证明算法是当今最可靠和安全的算法。但其并不具有真正的可扩展性。比特币及其他基于工作量证明的区块链网络在每秒事务处理（TPS）方面的性能有限。这种限制与比特币依赖于分布式节点网络这一事实有关，因为节点需要就区块链的当前状态达成一致。这就意味着一个新的交易区块在被确认之前，需要网络中的大多数节点进行验证和批准。因此，比特币网络的分布式特性虽然提供了一个安全和无信任的经济体系，但也限制了其在更大规模上的使用。

在每秒事务处理方面，权益证明区块链通常要优于比特币。但是，这种差异并不明显，而且权益证明网络并没有真正解决可扩展性问题。

在这种情况下，权威证明便成了一种更为有效的替代方案，因为它每秒能够执行更多的交易。

什么是权威证明？

权威证明（PoA）是一种基于声誉的共识算法，它为区块链网络（尤其是私有链）引入了实用且有效的解决方案。该术语由以太坊联合创始人兼前首席技术官 Gavin Wood 于2017年提出。

权威证明共识算法运用身份的价值，这意味着，被选为区块验证者凭借的不是抵押的数字货币而是个人的信誉。因此权威证明区块链受到可信实体的验证节点保护。

权威证明模型依赖于有限数量的区块验证者，这使其成为高度可扩展的系统。区块和交易都由预先被批准的参与者验证，他们充当系统的管理者。

权威证明算法可以应用于各种场景中，并且它被认为是物流应用的优先选择。例如在供应链方面，权威证明被认为是一种有效而合理的解决方案。

权威证明模式使公司能够在利用区块链技术的同时保护其隐私。Microsoft Azure是另一个实现权威证明的示例。简单来说，Azure平台为私有网络提供解决方案，由于不需要挖矿，系统则不需要像“gas”这样的原生代币。

权威证明 VS 权益证明

有部分人认为权威证明就是一个改进版的权益证明，因为它运用的是身份而不是货币。由于大多数区块链网络的分散性，权益证明并不总是适合某些企业和公司。相比之下，权威证明可能是私有区块链更好的结局方案，因为它的性能要高得多。

权威共识证明的条件

虽然条件可能因系统而异，但权威证明共识算法通常需要具备以下特征：

• 有效且值得信赖的身份：验证者需要确认其真实身份。
• 成为验证者的条件很苛刻：候选人必须愿意投资并且以他们的名誉为赌注，这也降低了可疑验证者被选到的风险，并激励了长期投入。
• 验证者通过的标准：验证者选取的方式必须一致。

声誉机制的本质是验证者身份的确定。这不是一个简单的过程，也不是一个可轻易放弃的过程。它必须淘汰不合格的成员。最终，需要所有验证者都经历同样的过程，以确保系统的完整性和可靠性。

限制

对于权威共识的某种看法是它舍弃了去中心化。因此可以说，这种共识算法模型只是为了提高中心化系统的效率。虽然这对于具有后勤需求的大公司来说，权威证明是一个很有吸引力的解决方案，但其确实也有一些缺陷 – 特别是在数字货币范围内。 权威共识确实具有高吞吐量，但是当可以轻松实现诸如审查和黑名单之类的事情时，不可逆性方面便是一个问题。

对于权威共识的另一个常见的评判是，任何人都可以看到权威共识验证者的身份。批判者认为，只有有能力担任此职位的资深人士才会想要成为一名验证者（作为公众知晓的参与者）。然而，了解验证者的身份可能会导致第三方介入操纵。例如，如果竞争对手想要破坏基于权威共识的网络，他可能会试图煽动舆论说验证者有欺骗行为，从而破坏内部系统。

工作量证明，权益证明，权威证明都有其各自的优缺点。众所周知，去中心化在数字货币中受到高度重视，而作为一种共识机制，权威证明去除了去中心化以实现高吞吐量和可扩展性。权威证明系统的固有特征与区块链到目前为止的运作方式形成鲜明对比。尽管如此，权威证明也呈现出了一种有趣的机制，因此，作为一种新兴的区块链解决方案它不能被忽视，而且它可能非常适合私有区块链的应用。

工作量证明(PoW)和权益证明(PoS)是最常见的两大共识机制，主流加密货币用它们来保障自身网络安全。

比特币使用工作量证明来验证交易，并保障网络安全。除此之外，工作量证明还能预防双花问题。区块链的安全由称为“矿工”的参与者守护，参与者使用算力相互竞争，以此获取确认新区块和更新区块链的权利。成功的矿工由网络给予比特币奖励。截至2021年12月，矿工每成功挖掘出一个比特币区块，即可获得6.25枚比特币的区块奖励，并附加交易费用。

工作量证明和权益证明的主要区别在于选取区块交易验证者的方式。权益证明是最热门的工作量证明替代方案，属于共识机制，旨在改善工作量证明的局限性，例如可扩展性和能耗问题。权益证明的参与者称作“验证者”，他们无需使用强大的硬件设备来竞争验证区块的机会，只需质押（锁定）区块链的原生加密货币即可。网络随即根据加密货币的质押数量选出获胜者，并从他们验证的区块中拿出一定比例的交易手续费作为获胜者奖励。质押的代币越多，越有机会成为验证者。

导语

为确保区了块链中记录的交。是有效的，这些其中，工作量证明(PoW)机制出现得最早。该机制由中本聪创建，被公认为是最安全的替代方案之一。权益证明(PoS)随后问世，目前在山寨币项目中尤为常见。

除了比特币，工作量证明还用于以太币(ETH)和莱特币(LTC)等主流加密货币。相比之下，权益证明则用于币安币(BNB)、Solana (SOL)、Cardano (ADA)和其他山寨币。值得注意的是，以太坊将在2022年从工作量证明切换至权益证明。

什么是工作量证明(PoW)及其如何运作？

工作量证明(PoW)是由比特币网络和其他诸多加密货币采用的共识算法，可预防双花问题。中本聪在2008年发布的比特币白皮书中提出这个概念。

工作量证明在本质上确定了比特币区块链实现分布式共识的途径。它以去信任化的方式验证点对点交易，无需第三方中间机构的介入。

在比特币这样的工作量证明网络中，交易由矿工负责验证。他们是网络的参与者，利用大量资源来确保网络持续安全的正常运行。矿工同时还要负责创建和验证区块交易等任务。为争取到验证下一区块的权利，矿工需使用高度专业化的挖矿硬件来解决复杂的数学难题。

首位成功攻克这些数学问题的矿工即可赢取将区块加入区块链的权利，并赚取所谓的区块奖励。区块奖励由新生成的加密货币和交易手续费组成。网络情况不同，区块奖励的加密货币数量也会有所不同。例如，矿工从比特币区块链成功挖出一个区块，即可获得6.25枚比特币以及每个区块交易手续费的奖励（截至2021年12月）。然而，由于减半机制，每隔21万个区块（约四年时间），每个区块生成的新比特币将减少50%。

如需详细了解工作量证明模式，敬请阅读《什么是工作量证明(PoW)？》。

什么是权益证明(PoS)及其如何运作？

权益证明(PoS)是2011年推出的共识算法，属于工作量证明的替代方案，旨在解决工作量证明在可扩展性方面的局限。权益证明是人气第二高的算法，由币安币(BNB)、Solana (SOL)和Cardano (ADA)等加密货币采用。

虽然工作量证明和权益证明的目标一致，都是为了在区块链中达成共识，但是权益证明采用不同的方式来确定区块交易的验证者。权益证明区块链中没有矿工。权益证明验证者根据个人的加密货币持有量来竞争区块验证权，而非依赖计算机性能。

参与者在特定区块链智能合约锁定一定数量的代币，即可获得区块验证权。这个过程称之为“质押”。然后，权益证明协议将分配验证者验证下一个区块。根据不同的网络，选取过程将随机或按持有量（质押量）决定。选出的验证者可从他们验证的区块获得交易手续费作为奖励。一般情况下，质押的代币越多，越有机会被选为验证者。

如需了解详情，敬请阅读《权益证明(PoS)详解》。

工作量证明(PoW)与权益证明(PoS)的不同之处

虽然同属确保区块链网络安全性的共识机制，但二者存在一定差异。显而易见，工作量证明和权益证明的主要区别在于选定验证新交易参与者的方式。为让各位了解得更清楚，让我们来看看下列表格：

权益证明是否优于工作量证明？

权益证明支持者认为权益证明比工作量证明更具优势，尤其是在可扩展性和交易速度方面。有人认为，与工作量证明相比，权益证明代币对环境的危害更小。与之相反，许多工作量证明支持者则认为，权益证明作为一种较新技术，在网络安全方面的潜力还尚无定论。工作量证明网络需要挖矿硬件、电力等大量资源支持，这样一来，攻击成本也会更高。这对于比特币这个规模最大的工作量证明区块链来说尤为如此。

如前所述，以太坊(ETH)将在升级为以太坊2.0时，从工作量证明切换至权益证明。以太坊2.0是期盼已久的以太坊网络升级，旨在改善网络性能和解决可扩展性问题。在以太坊实施权益证明之后，所有持有32枚以太币的用户都能参与质押成为验证者，并获取奖励。 

权益证明是否优于工作量证明？是什么原因让市值位居第二的加密货币采用这种全新的共识机制？

中心化风险

在工作量证明区块链中挖矿，需要使用算力反复推敲区块数据，直至找到有效的解决方案。对于当前的主流加密货币而言，要找到解决方案越来越具有挑战性。穷举运算哈希值的过程需要耗费昂贵的硬件和电力。

因此，有些矿工更愿意将挖矿资源集中到矿池，以增加获得区块奖励的几率。有些大型矿池投资数百万美元并操控成千上万个专用集成电路(ASIC)挖矿硬件，以便生成尽可能多的哈希算力。

截至2021年12月，排名前4的矿池共计掌控近50%的比特币总哈希算力。矿池垄断的情况下，加密货币爱好者要凭一己之力挖出区块，可谓难上加难。

那么，挖矿的去中心化程度有多高呢？一方面，没有单一实体能完全掌控网络确认。如果出现这种情况，可能会发生51%攻击，网络将失去价值。有人会争辩说，虽然挖矿仍具有去中心化性质，但程度不再那么高。从某种意义上说，挖矿设备和能源生产商依旧掌控挖矿命脉，拉低工作量证明区块链整体的去中心化程度。

权益证明共识机制则采用不用的方式，用质押取代了挖矿能力。这种机制可降低个人确认交易的准入门槛，减少对位置、设备和其他因素的倚重。质押只需由持有代币的数量决定。

然而，大多数权益证明网络需运行验证者节点才开始确认交易。这样运行可能成本昂贵，但不抵几台矿机烧钱。用户将代币委托质押给特定的验证者，形成类似于矿池的模式。因此，虽然普通用户更容易参与权益证明，但像矿池一样，仍易受到中心化问题的影响。

安全风险

除中心化风险之外，排名前四的矿池掌控比特币网络的大部分哈希算力，这样会增加51%攻击的风险。51%攻击是指恶意行为的个体或组织掌控超过全网50%的总哈希算力后，可能会对区块链系统发起安全攻击。攻击者会完全控制区块链共识算法，并实施恶意行为谋取私利，例如造成双花问题、拒绝或更改交易记录，或阻碍他人挖矿。但是，鉴于比特币网络的规模，发生这种攻击的概率微乎其微。

相对而言，如果有人攻击权益证明区块链，则需要拥有网络中超过50%的代币。这会造成市场需求和代币价格上涨，而且需要花费数百亿美元。即使成功实施了51%攻击，由于网络遭到破坏，攻击者质押的代币价值也将急剧跌落。因此，使用权益证明共识的加密货币，尤其如果市值较大，几乎不会发生51%攻击。

权益证明的弊端

许多人认为，权益证明是替代工作量证明的优化选择，但值得注意的是，权益证明算法也存在缺陷。受奖励发放机制的影响，验证者质押的资产越多，就越有可能获得验证下一个区块的机会。验证者积累的代币越多，就能质押和赚取更多代币，因此很多人指责这是“富人恒富”。由于权益证明区块链通常会将治理权赋予给验证者，这些“更富有”的验证者同时又影响到网络的投票权。

另一个担忧则是，较小市值的加密货币采用权益证明会面临安全风险。如上所述，以太币或币安币等较热门的加密货币几乎不会遭受51%攻击。但是，价值偏低的较小规模数字资产则更容易受到攻击。攻击者取得足够多的代币就能在与其他验证者的竞争中占据上风。只要频繁被选为验证者，他们就能占尽权益证明体系的优势。然后，他们将赚取的奖励再次质押，以增加在下一轮被选中的机会。

总结

工作量证明和权益证明均在加密货币生态系统中占有一席之地，很难判断究竟哪种共识协议更有效。由于挖矿过程中排放高碳，工作量证明惨遭诟病，但仍是公认的保护区块链网络的安全算法。尽管如此，随着以太坊从工作量证明转向权益证明，权益证明体系在未来将获得更多新项目的青睐。

共识算法是一种允许用户或机器在分布式环境中协调关系的机制。它需要确保系统中的所有代理对单一事实来源能够最终达成一致意见（即使某些代理持反对意见）。换而言之，系统必须具有良好的容错性（另请参阅《拜占庭容错详解》）。

在中心化的环境当中，单个实体的控制权凌驾于整个系统。多数情况下，由于没有创建条例详尽的治理系统，无法使众多管理员达成共识，导致这些实体往往可以随意更改系统。 

但如果是在去中心化的环境之中，则全然是另一番景象了。假设我们正在使用分布式数据库，如何针对该添加哪些条目达成一致呢？

此环境中充斥着互不信任的陌客，如何克服这种挑战也许正是解决发展问题的关键所在，能够为区块链铺平道路。本文中，我们将了解共识算法对于运行加密货币和分布式账本的重要性。

共识算法和加密货币

在加密货币环境下，用户的余额均记录在区块链这个数据库中。每名用户（更准确地说，每个节点）都维护着同一份数据库副本，这一点至关重要。如若不然，最终会导致信息冲突问题，从而破坏加密货币网络的全盘宗旨。

公钥密码学能够确保用户无法使用其他用户的代币。但是必须存在可供网络参与者信任的单一事实来源，才能了解资金是否已经用掉。

比特币创造者中本聪提出了工作量证明系统，以此来协调参与者。我们稍后将详细介绍工作量证明的工作原理。现在，先来了解一下现有各种共识算法的共同特征。

首先，我们需要想添加区块的用户（亦称为验证者）质押权益。验证者必须质押具有某种价值的权益，这是为了防止他们使诈。一旦作弊，他们将失去自己质押的权益。比如失去算力和加密货币，甚至还有可能名誉扫地。 

那他们为什么要赌上自己的资源冒险？因为这个过程中还存在奖励机制。奖励通常是协议的原生加密货币。奖励也可能是其他用户支付的手续费、新生成的加密货币单位，或者同时包括这两者。

最后，我们还需要确保透明度。我们需要具备及时发现作弊的能力。理论上，生产区块会消耗大量成本，但验证其真实性的成本却相当低。通过这种机制，普通用户可轻松约束验证者。

共识算法类型

工作量证明(PoW)

工作量证明 (PoW) 被视为区块链共识算法的教父。该机制首次应用于比特币领域，不过实际概念早已存在。在工作量证明中，验证者（称为矿工）会对想要添加的数据进行哈希计算，直到产生特定的解决方案。

哈希是指通过哈希函数运行数据所创建的一串看似随机的字符串，由字母和数字组成。重复运行同一个数据总是会得出相同的输出。但是，哪怕更改了一个小细节，产生的哈希值就会截然不同。

仅凭输出根本无法推断出函数中输入了什么信息。因此，这种方法能有效地证明您在某个特定时间点之前便已知晓某一段数据。您完全可以事先将哈希值告诉别人，而且之后等您透露该数据时，此人只要运行该函数即可查验输出是否相同。

在工作量证明中，协议规定了使区块具有效力的条件。例如，它可能会规定只有得出以 00 开头的哈希值才是有效区块。矿工要想创建符合该组合的区块，唯一的途径便是蛮力破解输入。他们会调整数据参数，测遍每一种猜测，得出不同的结果，直到获得正确的哈希值。 

对于主区块链，门槛往往相当高。为了与其他矿工竞争，您需要准备大量的特殊哈希硬件（专用集成电路），为生产有效区块创造条件。

在挖矿过程中，您质押的权益包括购买机器的成本以及运行机器所需的电力。专用集成电路 (ASIC) 专为加密货币挖矿而生，对于其他应用毫无用处。您回收初始投资的唯一途径便是挖矿，如成功添加新块至区块链上，便能获得相当可观的回报。

网络可轻松验证您所创建区块的真伪。您也许需要尝试数万亿种组合才能得出正确的哈希值，但验证数据却只需执行一次哈希函数计算。如果您的数据产生了有效的哈希值，那么网络会接受该值，您也可因此获得奖励。否则，网络会拒绝该值，您所花费的时间和电力都将付诸东流。

权益证明(PoS)

在比特币推行早期，权益证明 (PoS) 被视为工作量证明的替代方案。在权益证明系统中，不存在矿工、专用硬件或大量能源消耗这些概念。您只需准备一台普通计算机即可。

不过，也不尽然。您还需要下一点儿本钱。在权益证明机制中，虽然无需消耗外部资源（如电力或硬件），但必须提供内部资源，即加密货币。每个协议的规则都有所不同，但一般都会设置最低出资量，您必须达到标准才有资格进行权益质押。

完成此操作后，您钱包中的资金将被锁定（进行权益质押时无法移动资金）。通常来说，您需要与其他验证者就哪些交易将进入下一个区块达成一致。从某种意义来看，这相当于您在对即将选中的区块进行押宝，而协议只会选择其中一个区块。

如果协议选中了您的区块，那么您将获得与所质押权益量呈正比的交易手续费。您锁定的资金越多，代表收益越可观。假如您企图作弊，从而提出无效的交易，那么您将失去部分（或全部）质押的权益。因此，我们运行着一个类似于权益证明的机制，在这个机制内，诚实守信比作弊使诈能够获得更多收益。

一般来说，验证者的奖励不会以新造代币的形式发放。因此，区块链的原生货币必须以其他方式发行。可以采用初始发行（即 ICO 或 IEO）的方式，也可以采用先通过工作量证明启动协议，然后再过渡至权益证明的方式。

目前为止，纯权益证明仅部署在规模较小的加密货币中。因此，尚不明确它能否作为工作量证明的可行替代方案。虽然理论上行得通，但实践起来完全不是那么回事。 

一旦权益证明机制在具有大量价值的网络上推行，整个系统就会变成一个充斥着博弈论和经济激励的竞技场。只要有利可图，那些技术高超的黑客就会“入侵”权益证明系统。因此，唯一确定是否可行的途径，只有将其运用于在线网络之中。

很快，权益证明会进行大规模测试，而以太坊网络也即将实施一系列升级措施（统称为以太坊 2.0），其中包括执行 Casper。