区块链中的共识机制：不同类型的深入探讨

更新于：2025 年 6 月 30 日

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作者：Oleh Malanii

在区块链中，共识允许协议层节点独立地就账本的状态达成一致。这些机制更新链的状态并保持其操作完整性，从而实现去中心化，而不会造成混乱。

所有区块链都必须维护准确的记录才能正常运行。与银行不同，区块链没有任何中央机构来保存所有记录。相比之下，在去中心化网络中，所有节点都是平等的。不同的区块同时广播，网络必须决定遵循哪条链。决定遵循哪条链的机制称为共识。

共识机制是保持去中心化网络安全的原因。节点必须在更新区块链之前就当前状态达成一致。这种自动化过程可以防止错误，并保护网络免受诸如双重支付或 女巫攻击等威胁，在这些攻击中，恶意行为者会使用虚假节点操纵网络。

分布式共识是完全自动化的，并且按照编程执行。这样，用户信任该技术，而不是第三方，以保证区块链的完整性。因此，共识机制的逻辑和实现必须是完美的。

比特币是第一个主流区块链，于 2009 年采用了工作量证明共识机制。从而使工作量证明成为最早的共识机制之一。但是，随着时间的推移，已经引入了其他更具创新性的共识算法。本文将使你对以下共识机制有更深入的了解。

共识机制总结表

工作量证明

工作量证明是最早的共识算法之一，它基于博弈论。许多流行的区块链都采用了它，包括比特币、莱特币和狗狗币。矿工在发现新区块时必须执行高级计算任务，称为挖矿。

这是一个简单的例子来说明 工作量证明 的工作原理：

想象一下，有一场谜题比赛，谁先解决谁就赢得比赛。一开始网格是 9 x 9，但随着数百人加入，组织者将其增加到 27 x 27。因此，解决起来更加困难。一些参与者开发了定制机器来自动化解决方案。这将使他们有更高的获胜机会，对吗？

这就是工作量证明的实际运作方式。

让我们来分解一下……任何通过重复哈希首先解决计算问题的矿工都可以将其公布到网络。网络中的其他节点可以接受其有效性，或在必要时对其提出异议。这就是共识发挥作用的地方。区块链为其工作量证明采用各种哈希函数。例如，比特币使用 SHA-256。除了促进算法的运行外，挖矿还有助于 PoW 协议的安全性。它使攻击变得困难，因为攻击者必须花费大量成本，这对于他们来说可能非常无利可图。

PoW 流程。来源：“解构区块链：共识、成员资格和结构综合调查”（Natoli 等人，2019 年）

挖矿难度级别会根据矿工为解决 nonce 必须拥有的计算能力而增加。工作量证明机制奖励矿工中发现有效 nonce 的人。由于其经济效益，许多矿工都在运行挖矿区块的计算竞赛。即使发现有效 nonce 很困难，但确认是否有效添加了一块也很容易。

优点

去中心化结构。PoW 中的运营权力平均分配给不同的人。任何人都可以成为节点运营商并挖掘区块，只要他们有资源和时间。即使分配可以抑制某些人出于自私的目的而支配区块链的可能性。没有中央机构可以控制 PoW 区块链。

高安全级别。PoW 区块链极难操纵。首先，诸如 51% 之类的攻击实际上是不可能的，因为没有任何一个人或团体可以有计算能力来控制网络的一半以上。比特币是使用 PoW 的领先区块链之一，从未被黑客入侵过。这本身就证明了 PoW 提供的很高安全级别。

可接受的可扩展性级别。区块链必须具有可扩展性，以便在不增加成本的情况下快速为更多用户提供服务。尽管许多 PoW 区块链的可扩展性水平并不是非常吸引人，但它们已经足够公平了。扩展解决方案的出现使 PoW 区块链更容易变得快速、廉价并为数百万用户提供服务。

缺点

区块创建时间长。PoW 区块链需要更长的时间才能挖掘出新的区块，尤其是在区块难度增加时。这会导致交易缓慢，并最终导致糟糕的用户体验。

能源效率低。PoW 共识要求节点运营商拥有一些硬件。该硬件的运行非常耗能。研究表明，比特币一年使用的能源量高于挪威的年度用电量。这是以太坊等流行的区块链从 PoW 迁移到 PoS 的原因之一。

专用硬件依赖性。PoW 在硬件要求方面与其他共识机制不同。该硬件包括 Raspberry Pi 和其他挖矿机。这些特殊的硬件依赖性限制了任何人成为矿工并在共识方案中积极参与的容易程度。大多数其他共识机制只需要一台 PC、存储设备和其他通用硬件。

高计算成本。PoW 从设置和操作两个角度产生了高计算成本。在 PoW 区块链上设置挖矿的硬件相对昂贵。例如，一台比特币矿机的成本超过 1,700 美元。也就是说，PoW 需要太多的电力才能运行，这也可能很昂贵。

广泛的带宽要求。在 PoW 区块链中需要满足一些特定的带宽要求：

• 网速必须高达 50 Kbps
• 每月下载约 20 Gb
• 每月上传约 200 Gb

在某些国家/地区很难满足这些要求，从而剥夺了居住在那里的人参与共识的机会。

权益证明 (PoS)

PoS 概念

权益证明是一种共识算法，验证者锁定一些指定数量的原生资产以保护区块链。它是作为 PoW 的更好选择而开发的。2022 年，以太坊放弃了 PoW 转而使用 PoS，因为它更节能且去中心化。其他著名的区块链，如 Tezos 和 Cardano，也将 PoS 纳入了它们的协议中。

在 DeFi 中，质押意味着锁定资产以随着时间的推移获得奖励。PoS 机制要求验证者将他们的原生资产锁定在一个智能合约中。因此，利用 PoS 机制的协议必须确保其智能合约是安全的。

每个验证者都可以创建和传播新的区块。同时，他们还负责确定其对等广播的任何新区块的有效性。如果他们不诚实行事，他们可能会失去锁定的资产。

PoS 流程。来源：“解构区块链”（Natoli 等人，2019 年）

请注意，PoS 和 PoW 中对不诚实验证者的惩罚是相似的。但验证者在 PoS 中会失去质押的资产，而在 PoW 中会失去花费在硬件和电力上的钱。

优点

区块创建时间快。与比特币中的 PoW（创建区块最多可能需要 10 分钟）不同，PoS 系统在几秒钟内创建新的区块。这使得交易更快。

高吞吐量。由于 PoS 的区块创建时间更快，因此可以快速处理更多交易。

能源效率。PoS 比其他计算密集型模型（如 PoW）更节能。事实上，研究证实，与 PoW 相比，PoS 使用的能源减少了 99%。验证者不需要解决任何难题；该算法会根据他们的质押能力选择他们进行验证。

可扩展性（但低于 Pow）。PoS 是一种可扩展的共识算法，可以处理不断增加的交易，而不会影响速度。但是，它的可扩展性不如 PoW。

独立于专用硬件。成为权益证明的验证者更容易，因为它不需要专用硬件。除了质押外，准验证者只需要一个 CPU 和存储设备。降低的准入门槛鼓励更多人参与。

缺点

遭受中心化。PoS 设置中可能存在中心化，因为主要标准是拥有足够的原生资产进行质押。如果一个人或一群人可以获得大量原生资产并成为验证者，他们就可以影响区块链的共识会话。

在区块链网络中行为不端的成本较低。设置某些 PoS 区块链相对便宜。因此，验证者在因不当行为受到制裁时不会损失太多。例如，Cardano 上的一位准验证者必须质押至少 25,000 ADA，这仅约为 9,600 美元。

委托权益证明 (DPoS)

DPoS 概念

Daniel Larimer 在 2014 年调整了 PoS 机制以设计 DPoS 模型。诸如 Cosmos 和 Tron 之类的流行区块链使用 PoS 的一种变体，称为 DPoS。并非所有锁定指定数量原生资产的人都可以成为验证者。相反，一些选定的委托人（最好称为“见证人”）代表其他人执行决策。

质押者有权选举见证人来代表他们。如果发生不当行为，质押者还可以投票在技术上“弹劾”他们。DPoS 具有民主的前景和设计。

优点

可扩展性。DPoS 是一种更具可扩展性的机制，因为见证人很少，从而可以快速跟踪决策过程。该机制还可以轻松处理大量交易。

能源效率。作为权益证明的一种变体，DPoS 机制不需要任何计算能力。见证人根据质押财富来挖掘区块。它具有能源效率且环保。

低成本交易。像 PoW 这样的共识机制通常会拥塞，因此付款人必须激励矿工。但 DPoS 是一种快速共识模型，执行成本也很低。

缺点

半中心化。反对 DPoS 机制最关键的论点之一是其支持中心化的方法。少数选定的见证人已经形成了一个非正式的中心化委员会。这种前景可以说不适合去中心化，更适合私有区块链。

极易受到 51% 攻击

DPoS 的半中心化性质使得 51% 攻击更容易进行。选定的见证人可以暗中做出恶意决定，甚至阻止链的运行。

实用拜占庭容错 (pBFT)

pBFT 流程。来源：区块链共识协议中的瓶颈 ( Alqahtani, 2021)

拜占庭将军问题描述了如果存在不忠诚的将军时达成协议的复杂性。pBFT 共识机制是一个安全的模型，可以承受不诚实的验证者。当诚实节点中有 ⅔ 同意时，它就达成共识。Hyperledger、Fabric 和其他著名的区块链都在使用这种机制。

但是，如果网络中不诚实的节点超过所有节点的 ⅓，则 pBFT 的安全性将被破坏。pBFT 中的节点分为主要节点和辅助节点。主要节点是领导者节点，而辅助节点是备份节点。主要节点在每个共识轮次都会更改。

优点

能源效率。与 PoW 不同，pBFT 不需要任何功耗或高级计算能力。这提高了它的效率并使其更容易运行。

高吞吐量。pBFT 机制可以方便地处理高吞吐量，因为节点可以快速交互并验证交易。节点的决策是最终的，因此无需进行区块最终确认。节点之间的争议也会得到快速解决，以防他们质疑任何区块的有效性。

缺点

不可扩展。pBFT 主要设计用于不太大的区块链。因此，由于节点之间需要进行密集的来回通信，因此它对于较大的区块链来说是不可扩展的。随着交易数量的增加，需要更多时间来同意和批准它们。

易受女巫攻击。典型的女巫攻击发生在一个人或团体负责网络中的多个不诚实节点时。如果不诚实的节点多于诚实的节点，他们就可以操纵和接管链。

权重证明 (PoWeight)

PoWeight 共识

由 Yossi Gilad 领导的六位麻省理工学院的研究人员为 Algorand 区块链开发了一个共识。他们的主要动机是发现一种能够解决拜占庭将军问题的算法模型。他们发现了一种基于权重分数的共识算法，并将其命名为权重证明。

此机制中的每个用户都以权重存在，他们帐户中的金额决定了他们的权重。该算法根据用户的权重在用户中随机选择委员会成员。这种随机性可以抑制拥有一个或多个不诚实用户的可能性。诚实用户必须拥有网络中高达 ⅔ 的总金额。否则，不诚实的节点可以接管。

尽管 PoWeight 的设计可能看起来类似于 PoS，但每个都不同。用户只需在 PoWeight 中拥有代币，而无需锁定或质押它们。

优点

强大的定制和可扩展性。PoWeight 是一个共识模板，任何协议或区块链都可以对其进行调整，以更好地适应其架构设计。流行的存储协议 Filecoin 利用 PoWeight 共识机制，但采用不同的维度。它根据用户拥有的数据量来衡量用户的权重，并将其称为时空证明。这表明区块链可以多么有创意地定制这种共识机制。

快速交易确认。只有委员会成员，而不是所有用户，决定交易的有效性。这加快了确认 PoWeight 区块链上交易的速度。

能源效率。权重证明不需要消耗电力。相反，它只需要用户在其钱包中拥有原生资产。

缺点

没有激励。工作量证明、权益证明和其他算法会奖励网络参与者以保持网络运行。但这在权重证明中并非如此，委员会成员在验证交易时不会收到任何奖励。

半中心化。委员会成员以一种违反区块链去中心化精神的方式变成中心化的。他们可能会变得不诚实并欺骗用户。

容量证明 (PoC)

PoC 流程。来源：“解构区块链”（Natoli 等人，2019 年）

容量证明的另一个流行名称是空间证明。Stefan Dziembowski 和 Sebastian Faust 于 2015 年正式介绍了它。Burstcoin 是第一个使用此算法的项目。

矿工需要证明他们具有挖掘加密货币的存储容量。在这种情况下，最推荐的存储设备是硬盘。矿工需要在挖矿开始前做好准备。他们通过绘制 nonce 来做好准备。矿工只能创建与其空间一样多的 nonce。网络经常广播难题。任何在其 nonce 中具有最接近哈希的矿工都会赢得难题。

优点

无需专用硬件。容量证明很容易设置。准矿工只需要获得硬盘并在其上绘制 nonce 即可。无需复杂的设备。事实上，硬盘比 ASIC 等专用硬件效果更好。

更加去中心化。几乎每个人都有机会成为 PoC 中的矿工，因为硬盘很便宜。这种友好的可访问性导致更多的去中心化，因为每个人都可以参与，而不仅仅是少数能够负担得起昂贵设备的人。

缺点

易受研磨攻击。当矿工可以欺骗算法使其成为矿工时，就会发生研磨攻击。在 PoC 的情况下，矿工可以操纵链以始终请求其 nonce 中的哈希。从而比其他人挖掘更多并获得更多奖励。

空间特权适用。由于矿工经常获得具有异常大空间的硬盘。因此，他们可以绘制更多的 nonce 并解决更多的难题。这对那些硬盘空间相对适中的人是不公平的。

权威证明 (PoA)

PoA 流程。来源：“解构区块链”（Natoli 等人，2019 年）

必须对矿工进行彻底的尽职调查，区块链才能最终安全。一些共识机制会跳过此过程并落入不诚实矿工的手中。

权威证明是一种共识机制，其中验证者质押其身份，它可以修复其设计中的此漏洞。首先，在 PoA 共识模型中确定每个验证者的真实身份。网络管理员将检查准验证者的可信度。这也可以在发生不正当行为时轻松跟踪任何验证者。其次，每个验证者必须质押一定数量的资产作为承诺的标志。基本上，PoA 验证者会质押他们的声誉和他们的代币。

优点

交易速度。权威证明只有少数经过审查的验证者。少数验证者使对交易有效性做出决策的速度更快。

更严格的安全性。协议管理器将审查验证者的真实生活细节。如果验证者作弊，更容易对任何验证者采取法律措施。这使得该机制更加安全。

耗能少。权威证明需要能源才能运行。但是，它不会消耗工作量证明所需的能量。

缺点

不是去中心化的。PoA 不是去中心化的，因为它只有少数验证者。因此，共识权仅集中在单个行为者或少数人手中。

打破匿名性。区块链保护每个用户的匿名性，以实现链上隐私。但权威证明会暴露验证者的数据。

重要性证明 (PoI)

PoI 共识

NEM 区块链引入了重要性证明共识算法，以改进权益证明机制。首先，权益证明机制使验证者锁定他们的资产，而不与他们进行交易。其次，它仅根据验证者的质押对其进行评级。

重要性证明不仅仅如此。该算法根据 3 个变量对节点进行评级：

• 帐户中有多少钱？
• 帐户在协议中与其他帐户进行交易的频率如何？
• 每笔交易的交易量是多少？

这 3 个问题构成了帐户或节点的重要性。重要性证明机制鼓励网络参与者持有资产并与其进行交易。

优点

抗女巫攻击。当不诚实的验证者控制多个不诚实的节点来操纵区块链时，就会发生女巫攻击。默认情况下，PoI 中的评分系统使任何人运行虚假节点的成本都非常高。

防止囤积。PoS 区块链中的验证者必须锁定他们的资产。从而将这些资产囤积起来，使其无法流通。重要性证明效果更好，因为它鼓励资产的自由流动。

奖励一般参与。PoI 超越了质押资产。它确保每个矿工都积极参与网络的活动，尤其是在交易频率和交易量方面。

缺点

偏袒富人。那些交易量更高、交易频率更高的人会被赋予更高的重要性。这对其他没有太多资金的网络参与者来说可能是不公平的。

激励措施少。验证者不会以太大的权力挖掘区块。因此，他们没有像 PoS 中的验证者那样受到激励。这种低激励对于那些以运行节点为业务的人来说可能是一件坏事。

最后的想法

区块链试图维持去中心化、可扩展性和安全性这三个方面的平衡。这也反映在他们选择的共识机制中。区块链根据他们的架构和技术偏好采用共识机制。

从安全的角度来看，区块链共识机制中的弱点可能是操纵的漏洞。这就突出了为什么区块链应该始终进行高质量的协议审计，以确保其协议是防篡改的。

常见问题解答

哪种共识机制最好？ 没有绝对最好的共识机制。它们都有优点和缺点。这取决于区块链的性质以及创始团队想要权衡的内容。

共识机制的类型有哪些？ 有各种共识机制，包括工作量证明、权益证明、委托权益证明、容量证明、重要性证明等。

什么是区块链中的共识机制？ 共识机制是指区块生成方式、成为验证者的方式以及区块链中验证者之间达成协议的方式。

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