证据强度与证明力之争——这场争论的定义

在任何关于加密货币的讨论中，共识算法的重要性常常被忽视，而共识算法对于任何区块链代币的应用和潜力都至关重要。共识算法决定着从网络安全、确认速度到环境友好性的一切——它决定着分布式账本中交易的排序和验证方式——并最终提供一段时间内的真实记录。

由于没有中央中介机构，构成区块链的参与用户（节点）网络必须使用一套预定义的规则，就添加到账本中的内容的有效性达成一致。大多数节点必须达成共识。虽然没有人否认共识对于区块链合法性至关重要，但关于如何以最佳方式达成共识的争论仍在继续。

方案一：工作量证明

确保分散系统可靠性的问题最早在1982年的论文《拜占庭将军问题》中被形式化提出。在这个例子中，一支拜占庭军队正在进攻一座城市并将其包围。为了继续推进，分散在城市周边的将军们必须就作战计划达成一致；但有些将军想要继续进攻，而另一些将军则想要撤退。更复杂的是，将军们相距甚远，需要信使传递信息，而且可能还有一位或多位将军是叛徒。为了执行一项行动，必须由多数将军（即51%或以上的将军）同意选择该策略。

拜占庭将军问题类似于解决区块链上的共识问题。所有节点必须就一套规则达成一致，并在交易信息被添加到链上之前，通过对交易信息的特定评估达成共识才能继续推进。这并非易事——成千上万的用户使用该网络，他们必须确保对即将添加的新信息的有效性达成一致，并防止恶意行为者破坏账本和篡改历史。因此，必须采用一种特定的共识机制/算法。该协议使一组协调一致的网络实体能够以安全的方式协同工作，从而更新账本。

“……即使某个演员拥有相当多的资金和经济利益，也没有任何一个演员或串通起来的演员群体能够占据大部分市场份额。”
——以太坊联合创始人 Vitalik Buterin

正如以太坊创始人 Vitalik Buterin 所说，共识算法的目的是“允许根据特定的状态转换规则安全地更新状态，其中执行状态转换的权利分配给若干经济实体”。Buterin 将这个实体定义为包含“可以通过某种算法被赋予集体执行状态转换权利”的用户，并且这些用户“必须是安全的去中心化群体——这意味着任何单个参与者或串通的参与者子集都不能占据该实体的大部分，即使该参与者拥有相当多的资金和经济利益”。因此，共识算法通过去中心化确保了添加到区块链的下一个区块是系统中唯一真实的版本。

比特币区块链上出现的第一个共识协议是“工作量证明”（PoW）。PoW要求每个验证用户证明他们已经执行了计算操作，以此来防止网络遭受垃圾邮件和拒绝服务攻击等攻击。每个节点（通常称为矿工）都尝试使用自身的计算资源来解决复杂的密码学难题——最终找到解决方案的矿工会确认交易并将区块写入区块链。这位成功的矿工会获得加密货币代币作为奖励，以表彰其花费的时间和精力（例如，比特币矿工将获得比特币作为奖励）。这种奖励机制激励矿工生成正确的解决方案，并确保网络安全。这也意味着矿工之间存在竞争，以创建下一个交易区块。

工作量证明的问题

鉴于挖矿需要大量计算资源，工作量证明（PoW）被认为成本高昂、浪费资源且效率低下。每次都让成千上万的矿工同时处理一个区块，这无疑是对资源的过度消耗，尤其是在只有被解出的区块才有价值的情况下。因此，每次挖出新区块都会产生大量实际上无用的副产品。而且成本很高。事实上，一项研究甚至将比特币挖矿的能耗与爱尔兰的平均用电量相提并论。这还不包括所有采用某种形式PoW算法的新兴加密货币。

此外，挖矿过程中使用的硬件通常是先进且昂贵的专用设备。以专用集成电路（ASIC）为例，其设计目的就是专门用于挖掘比特币和其他加密货币。目前，ASIC的大部分研发工作都源自中国，而中国的电力成本也相对较低。因此，鉴于中国ASIC制造商有相当大的动机为自己挖矿——而且他们也确实这样做了——这导致比特币总算力的约60-70%集中在中国。由此，算力过度集中的问题就出现了——这与区块链的创立原则背道而驰。

方案二：权益证明

2012年PoS的出现旨在解决与工作量证明（PoW）相关的成本高、效率低以及易中心化等问题。其基本理念是，网络中的每个“验证”节点（矿工）无需购买昂贵的设备来抢先挖矿，而是直接购买特定区块链系统中使用的代币。

在权益证明（PoS）算法下，代币从网络诞生之初就发放给网络中的验证节点。这意味着与工作量证明（PoW）不同，PoS 代币不会随着新区块添加到账本而同步铸造（尽管有些区块链采用混合的 PoW/PoS 算法，允许在切换到 PoS 之前先进行 PoW 铸造）。之后，每隔几秒或几分钟，系统会选择一个特定的节点来提交新区块。但是，如果一个节点持有的代币数量更多，那么它对账本上信息的权威性就拥有更大的影响力。因此，持有最多代币的节点会极大地影响代币的选择——他们在网络中投入的越多，一旦出现任何意外，他们的损失就越大。

另一个影响因素是用户持有代币的时间长短，这表明他们是否进行长期投资——显然，长期投资者比昨天才购买代币的人更有价值。因此，持有更多代币的用户被认为更值得信赖，攻击网络的可能性也更低。事实上，要发起攻击，用户需要购买整个网络代币总价值的51%。这不仅成本高昂，而且毫无意义——用户没有任何动机去攻击一个他们投入如此巨资的网络。

此外，PoS 通常比 PoW 更受欢迎，因为它所需的计算量要少得多，这意味着资源浪费更少，执行 PoS 的成本也更低。这消除了希望成为区块验证者的一大门槛。由于无需挖矿，因此无需开发专用硬件；事实上，这项技术可以轻松在消费级计算机上运行。

权益证明机制的问题

权益证明（PoS）最常被提及的问题之一是“无利害关系”问题。在PoW区块链中，矿工有动力持续挖矿账本上最长的链，因为这条链会被视为主要的真实版本，也是矿工获得奖励的来源；因此，矿工显然有动力只挖这条链。

但PoS机制几乎没有任何限制，矿工可以在多条PoS链上挖矿，尤其是在这种算法下，矿工的计算成本可以忽略不计。理论上讲，一个恶意PoS矿工如果同时在多条链上挖矿，可能会使网络难以达成共识，甚至试图篡改历史。

当区块链发生分叉时（例如以太坊分叉后产生了以太坊经典），这个问题尤为突出；在这种情况下，使用权益证明（PoS）的验证者可以在两条区块链上同时进行质押，从而更容易篡改事实以谋取私利。事实上，以太坊正在从工作量证明（PoW）过渡到名为Casper的新共识机制，Casper将采用PoS算法，部分原因正是为了解决这个问题。此举旨在显著提高新区块在区块链上的处理效率，同时Casper也会惩罚那些试图在两条不同区块链上进行质押的人。

共识前景展望

目前，许多主流加密货币都在不断改进权益证明（PoS）模型。其中最受欢迎的是委托权益证明（DPoS）算法，该算法由丹·拉里默（Dan Larimer）倡导，他也是包括BitShares、Steemit和EOS在内的多个知名区块链项目的幕后推手。DPoS与PoS的不同之处在于，其验证过程由一组由网络用户选出的委托人完成，这些委托人拥有独立的节点来挖矿。由于这些委托人被认为是值得信赖的，因此DPoS在一定程度上解决了“无利害关系”的问题。

中国热门平台NEO采用了一种名为委托拜占庭容错（Delegated Byzantine Fault Tolerance）的算法，该算法通过委托投票机制来防止区块链分叉。与此同时，Ripple则使用其自身的“共识账本”，该账本允许参与者和历史记录共同定义系统中的“真相”，而非由技术本身来定义。此外，还有许多其他共识算法不断涌现，每种算法都针对区块链的特定应用场景解决了独特的问题。

显然，目前对理想共识机制的探索仍未完成。可以预见，在成本、效率和可扩展性等方面持续改进将是一个漫长的过程，并有望在未来数月乃至数年内取得一些令人瞩目的进展。如何在去中心化、处理速度和效率之间取得平衡，很可能仍将是未来发展的核心。随着区块链应用场景的不断涌现，共识机制的种类也可能随之扩展和演进。这或许还将催生更多区块链的创新应用。