区块链有哪些共识算法?

共识机制是区块链无法存在的组成部分。它为区块链生态系统提供动力并确保它们的安全。但是共识算法还有哪些其他目的,哪个最好?

去中心化、交易安全和未知对等点之间的信任——所有这些特性都因共识算法的存在而成为可能。

由于迄今为止最受欢迎的区块链是比特币和以太坊,您可能听说过这两者所依赖的工作量证明(PoW)共识模型。尽管该算法是讨论最多的算法之一,但它远非理想,因此目前正被更先进、更环保的机制所取代。

为什么你需要了解区块链共识算法之间的差异?原因是这些机制确实是区块链技术的核心,您未来平台最重要的性能指标——例如交易的安全性、速度和最终性——将取决于共识算法的类型。

让我们深入研究各种算法,了解它们的优缺点,并找出最适合您的特定情况的算法。

区块链中的共识机制是什么?

共识算法,也称为共识机制、模型或协议,是一种用于实时达成关于区块链真实状态的共同协议的系统。

简而言之,这样的系统确保区块链网络的所有节点都是同步的,并且交易是经过身份验证和安全的。一旦节点就交易的合法性达成一致,它就会得到批准,然后记录在区块链上。之后,该块将永远保留在那里。

除了保证整个区块链的安全性,共识算法还有助于在去中心化网络中建立陌生人之间的信任。这是实现的,因为它是决定信任哪些节点以验证和启用交易的算法。

那里有哪些类型的共识算法?

最广泛使用的共识机制是工作量证明、权益证明、委托权益证明、权威证明和历史证明。我们现在来看看它们之间有何不同,以及它们如何影响区块链平台的工作。

工作量证明(PoW)

工作量证明是最古老的算法,与中本聪创建的第一个区块链一起出现。

这种共识机制完全依赖于充当节点的矿工。他们竞争解决复杂的密码难题,第一个解决的人将获得开采下一个区块的权利。此外,“获胜者”将获得新铸造的加密货币作为奖励。

优点

最明显的好处与矿工本身有关。尽管他们要解决的难题极其复杂,而且只有第一个矿工“获胜”,但他们仍然有机会超越其他人并获得加密货币奖励。

另一个主要优势是防止黑客攻击。由于这种共识模型需要大量的计算能力和努力,黑客很难改变系统。即使他们试图这样做,设备、电力和努力的成本也会超过获得的利润。

由于工作量证明共识几乎不可能更改任何区块,因此您可以确信它保持了每笔交易的真实性和可追溯性。

缺点

随着区块链技术越来越先进,解决一个哈希变得越来越困难,整个过程需要越来越多的计算能力。因此,矿工必须使用昂贵且消耗大量能源的专用硬件。

看看这个统计数据:至少需要13 年的常规家庭电力才能开采一个比特币。当你考虑有多少矿工参加比赛时,你很难理解这些数字。

很明显,PoW 协议对环境不利,并且对于充当网络验证者的矿工来说可能在经济上代价高昂。

另一个问题是这种共识机制与缓慢的交易速度有关。验证一个区块并批准一笔交易可能需要十多分钟。同时,交易费用也相当高。

区块链

除了比特币和以太坊,莱特币、门罗币和绿币等区块链也依赖于 PoW 算法。

值得注意的是,以太坊已经从工作量证明转向权益证明共识模型,以使区块链更快、更便宜、更环保。

股权证明(PoS)

PoS 共识算法是 PoW 模型最流行的替代方案。该机制不涉及挖矿,但需要您投入代币才能参与网络。

那么,股权证明如何运作?

PoS 随机选择验证者,但它会考虑他们持有的加密货币的大小。如果交易没有问题,一个区块将被添加到区块链中,验证者会收到他们贡献的网络费用。但是,如果验证者提议添加一个包含虚假数据的区块,他们将面临惩罚,并因此失去部分抵押资产。

优点

在权益证明中,验证者无需购买昂贵的硬件。因此,更多的人有能力成为节点。除此之外,节点越多,去中心化越强。

这是另一个优势——无需挖矿,共识过程更加节能。要了解 PoS 共识对环境的友好程度,我们可以比较股权证明与工作证明。

目前,以太坊在 PoW 模型上运行时,每年消耗 113.01TWh 的电能,相当于荷兰的能源使用量。通过切换到 PoS,其能耗将下降 99.95%。

缺点

尽管每个基于 PoS 的区块链协议都有不同的规则和条件,但大多数协议都要求验证者在一段时间内锁定最低数量的加密货币。在此期间,无论加密货币发生什么情况——它的价格可能下跌或飙升——你都无法“取消质押”并进行交易。

另一个问题是,抵押资金​​较大的验证者在网络上的权重更大,因此他们可能对交易验证产生过大的影响。它还会导致加密货币囤积。

由于通过 PoS 算法运行的区块链还没有比特币和以太坊那么大,当其他网络增长到与这些大型区块链的规模相匹配时,我们可能会了解到新的漏洞。

区块链

Flow、Cardano、Avalanche、Polygon 和 Tezos 都是使用权益证明共识协议的区块链。这些平台在社区中非常受欢迎,因为它们被设计为可扩展和可持续的。

委托权益证明(DPoS)

委托权益证明算法可以被认为是权益证明机制的增强版本。

质押代币和根据资金比例选择验证者的概念在这里仍然相同。主要区别在于实施新的民主投票制度,该制度有两个参与者:选民和代表。选民是持有代币的人,而代表是由选民选出以验证交易的人。

好处

DPoS 系统的一大优势是实时投票可以持续监控网络安全。一旦选民检测到恶意活动,他们会立即将可疑的代表投票出去。即使受托人一直表现完美,他们也可以随时被逐出网络。

至于能源消耗,DPoS 比 PoS 更节能、更实惠。

Delegated Proof of Stake 机制的使用对交易确认和执行的速度也有积极的影响。基于 DPoS 的区块链每秒进行 2,000 到 8,000 笔交易。

缺点

尽管 DPoS 系统因其去中心化特性而受到赞誉,但是交易验证将依赖于一小部分人,这会使网络产生偏见并容易受到恶意行为的攻击。

另一个问题与网络安全有关。很明显,一个好的区块链网络需要大量的参与用户。负责维护网络的人越少,组织 51% 攻击就越容易——当一个人或一群人控制超过 50% 的区块链哈希算力时,这种攻击就可能发生。

最后,PoS 共识也存在一个固有问题:持有更多代币的选民拥有更多权力。如果他们决定滥用权力,将对整个网络的运行产生负面影响。

区块链

Tron、Steem、EOS 和 WAX 等区块链运行在 DPoS 共识机制之上。所有这些区块链在交易速度方面都具有高度可持续性和高性能。

权威证明(PoA)

权威证明是一种更适合私链网络的算法。在这种机制中,验证者不是抵押代币,而是抵押他们自己的身份和声誉。

由于人们必须获得成为验证者的权利并需要证明自己的真实身份,因此他们有兴趣通过有效地工作和遵守严格的规则来保持良好的声誉。

该算法只选择有限数量的节点,这些节点成为唯一负责验证交易、构建块和维护网络的节点。同时,验证者不需要持续监控网络,因为他们使用特殊的软件。

好处

PoA 算法也不需要很高的计算能力,所以不需要购买昂贵的硬件,这个共识仍然是节能的。验证者的另一个好处是,虽然他们必须透露自己的身份并提供文件,但参与网络会给他们真正的权力和回报。

对于企业主来说,这种共识算法也是一个相当安全的选择,因为他们依赖于声誉受到威胁的真人。攻击的可能性也很低,因为所有验证者在获得授权并成为验证者之前都经过检查。

快速且可预测的交易时间是 PoA 提供的另一个优势。平均而言,创建和添加新信息块大约需要五秒钟。

缺点

第一个缺点实际上是对平台所有者的好处,但对验证者来说是缺点。基于 PoA 的系统只允许有知名度的人参与网络,因此成为验证者并不容易,对于普通人来说基本不太可能。

权力下放的程度也值得怀疑。基于 PoA 的系统意味着网络由少量且有限数量的验证者维护,这与去中心化的思想背道而驰。这就是权威证明共识主要用于私链网络的原因。

区块链

POA Network 是第一个具有基于以太坊协议的权威证明共识的公共平台。该网络为智能合约提供了一个开源框架。

VeChainThor 是 PoA 驱动的区块链的另一个著名示例。它的创造者正在推广将区块链大规模用于商业目的的想法,并使这项技术无可争议地适用于企业。两个最常见的用例是基于区块链的供应链和 NFT 市场。

其他共识算法呢?

区块链共识机制的列表并没有在这里结束。还存在其他算法,例如实用拜占庭容错(pBFT)、权重证明 (PoWeight)、重要性证明(PoI)、租赁权益证明(LPoS)、容量证明(PoC)和燃烧证明(PoB)。它们不太普遍,但在为您的应用程序选择共识机制时仍然可以考虑他们。

如果您的业务目标无法通过现有的达成,则可以创建自己的共识机制。

选择错误的共识协议有哪些风险?

由于共识算法是区块链不可或缺的重要组成部分,选择错误的算法将导致严重的后果。以下是几个风险:

表现不佳

错误选择的共识机制会对节点的工作以及整个网络和事务处理的速度产生负面影响。如果您计划吸引大量用户使用您的应用程序,则需要考虑可以为您提供高交易速度和可扩展性的算法。

系统错误

想象一下,您选择了一种不适合公共区块链的共识算法。你成功启动了一个应用程序,吸引了大量用户到你的平台——然后发现没有足够的节点来维护网络,或者他们验证交易的方式不是很有效和安全。一旦节点停止工作或出现一些严重问题,整个网络就会崩溃。

区块链分叉

除非有意创建分叉以实施新的共识规则,否则区块链分叉可能会导致问题。

当出现分叉时,网络中的矿工和节点就会减少,从而导致漏洞。当一群攻击者控制了超过 50% 的计算能力时,他们将成功地干扰网络。系统丢失的节点越多,黑客就越有可能在网络中获得额外的权力。

哪种共识算法适合您的应用程序?

为了表面选择错误的共识算法导致的可能性承担后果,可以考虑这些问题:

1. 您打算启动公共应用程序还是企业应用程序?

如果您计划为广泛的受众创建应用程序,您可以考虑实施 PoW、PoS、DPoS 或 PoH。这些算法意味着任何人都可以参与区块验证,只要他们满足网络的要求。

虽然 PoA 也适用于公共区块链,但这种机制更适合私有的、企业级的应用程序。

2. 可持续性是您最关心的问题吗?

如果您的公司正在寻求创建一种环保解决方案,那么基于工作量证明的区块链绝对不是最佳选择,因为它是最耗能的。

相反,您可能会考虑 PoS 或 DPoS 选项。PoS 机制比 PoW 节能 2000 倍,基于 DPoS 的区块链比 PoW 节能 125000 倍。PoA 也是一个不错的选择。

3. 您是否希望您的应用程序处理大量用户并每秒处理数千笔交易?

如果答案是肯定的,那么你应该考虑使用 PoS、DPoS 或 PoH。目前,基于 PoS 的区块链可以执行高达 4,500 tps,DPoS 超过 8,000 tps,而 PoH 高达 65,000 tps。评估您的应用需要处理多少笔交易并做出决定。

4. 你需要你的应用程序完全去中心化还是你会考虑有限的去中心化?

PoW 和 PoS 算法提供了完全的去中心化和高网络安全性,而 DPoS 比这两者更中心化。至于 PoA,它的分散性有限,因为它需要少量节点来验证交易和维护系统。

5. 谁将担任区块验证者?

您认为谁是您未来应用程序的节点?如果这些是矿工,那么你应该回到 PoW 算法。如果你希望你的节点是普通用户,只需要质押币,不需要购买专门的硬件,那么 PoS 或 PoA 是合理的选择。

最后的想法

世界上没有完美的事物,科技也不例外。每种共识算法都有其优点和缺点,需要仔细权衡和评估对应的可行性。

无论您是在开发和实施自己的共识算法方面需要帮助,还是想从头开始构建区块链,或者您正计划使用现有的共识机制构建一个新的区块链驱动的解决方案,我们都能满足您的需求。

极客云区块链开发团队拥有使用众多共识算法和区块链的经验。处理过多个区块链项目,欢迎随时与我们联系。

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