在 前一篇文章，我們提到區塊鏈（Blockchain）是一種紀錄資料的創新技術；比特幣協議正是透過了此技術成為了一本「去中心化的帳本」，人人皆可以參與紀錄以及驗證帳本上的資訊。
那大家有沒有想過，這本人人都能參與紀錄與驗證的帳本該如何維持一致性？如何分配誰來記帳？記帳獎勵又是如何決定的？
今天我們就來介紹區塊鏈的靈魂，一個能夠影響安全性、去中心化程度的關鍵：共識機制（consensus）。
如果大家對區塊鏈機制尚未熟悉，建議先閱讀〈區塊鏈是什麼〉以及〈比特幣是什麼〉這兩篇文章，再來觀看此文章哦！
共識機制是什麼
區塊鏈作為一個去中心化的帳本，特色就是人人均可以參與帳本的建構；共識機制就是去中心化帳本的記帳規則，參與者們需要遵守這些記帳規則，否則就無法參與記帳。共識機制的內容主要包括：如何記帳，誰來記帳，記帳獎勵…等等，為的是確保區塊鏈上所記載資料的一致性與安全性。常見的共識機制為 PoW 工作量證明、PoS 權益證明和 NPoS 提名權益證明。
舉例來說，比特幣（Bitcoin）、以太坊（Ethereum）等 公鏈 上的參與者們如果想要參與記帳成為礦工或驗證者，那麼就需要遵守共識機制上的規則，如此就能讓參與者們在互不信任，且無集權中心化組織存在的情況下，一同將區塊鏈安全又有效率的延伸下去。
為什麼需要共識機制？
區塊鏈需要眾多參與者共同維護，若沒有共識機制，則可能每位參與者都「各做各事」，最終導致區塊鏈無法保持一致性，也就是彼此紀錄的資訊有所不同，且彼此相互不承認的情形。
共識機制通常由兩大部分組成，「挑選記帳者」及「獎懲機制」。
- 挑選記帳者：區塊鏈會制定一套規則，盡可能公平與隨機地挑選記帳者，以降低區塊鏈被惡意人士、駭客攻擊的可能性。
- 獎懲機制：使用經濟誘因促使記帳者做出良好行為（正確記帳）來保持區塊鏈的安全性。舉例來說，若記帳者正確記帳，則可以得到加密貨幣作為獎勵，也就是我們常聽到的「挖礦」獎勵；若記帳者惡意傳輸無效交易，則施以懲罰扣除加密貨幣，讓誠實行為有利可圖。
區塊鏈技術經歷過十多年的改革，如今每條區塊鏈的共識機制不完全相同，以下將介紹區塊鏈的三大共識機制，分別為 PoW 工作量證明、PoS 權益證明以及 NPoS 提名權益證明，關於它們是如何選出記帳者、其獎懲制度的差異，以及優點和缺點。
PoW 工作量證明是什麼？
PoW 工作量證明英文全名為 Proof-of-Work，是全世界最早誕生的共識機制，也是比特幣（BTC）、萊特幣（LTC）、狗狗幣（DOGE）等早期區塊鏈所使用的共識機制。
PoW 機制的參與者稱為礦工（Miner），嘗試獲得獎勵的過程稱作挖礦（Mining）。PoW 挑選記帳者的方式是讓礦工們為一道困難的數學題計算出答案，最先解出答案者，即獲得打包新區塊的資格，並獲得加密貨幣作為獎勵。
值得一提的是，這道數學題的答案只能用「猜」的，礦工需要貢獻電腦算力嘗試猜出這個「隨機答案」。然而就算礦工擁有的運算能力再強大，至多只能提高猜中的可能性；也就是說，算力差的礦工也有搶答成功並獲得挖礦獎勵的機會。這使得 PoW 工作量證明擁有極高的去中心化程度與安全性，令其他共識機制望塵莫及。
然而，PoW 共識機制也有較難克服的缺點，比如為了確保區塊鏈的安全性，每一位礦工在驗證完區塊上的交易紀錄後，還必須耗費算力完成數學題目來爭取記帳權，不僅造成交易速度（出塊時間）緩慢，在挖礦過程中消耗的大量電力也有可能對環境造成負面影響。
PoS 權益證明是什麼？
PoS 權益證明英文全名為 Proof-of-Stake，目的是改善 PoW 工作量證明耗費電力且傳輸速度慢的缺點，以太坊（ETH）、Cardano（ADA）區塊鏈皆使用 PoS 權益證明共識機制。
PoS 機制的參與者稱為驗證者（Validators），嘗試獲得獎勵的過程稱為質押（Staking）。PoS 挑選記帳者的方式，是要求驗證者將加密貨幣鎖定於該區塊鏈上（質押），若質押的加密貨幣越多、質押的時間越長、距離成為記帳者的時間越久，被區塊鏈隨機選中成為記帳者的機率就越高。
若區塊鏈發現 PoS 驗證者進行惡意行為（批准無效交易），將會把驗證者鎖定的加密貨幣全數扣除作為懲罰（Slashing），以維持「誠實者比作惡者更有利有圖」的原則。
以優點來說，由於 PoS 權益證明挑選記帳者的過程中，用戶不需要額外消耗電力來找出「隨機答案」，且正式被挑選為記帳者之前，無需驗證區塊上的交易紀錄，不但區塊鏈的交易速度（出塊時間）通常較快，且大幅降低了電力消耗。
缺點方面，由於質押越多加密貨幣代表更容易獲得加密貨幣獎勵，讓 PoS 比起 PoW 更存在著「大者恆大」的疑慮，因此其去中心化程度可能較 PoW 低。另外，在驗證者不夠分散的情況下，很容易因為駭客攻擊導致該區塊鏈產生系統性風險，所以 PoS 權益證明的安全性通常不如 PoW 工作量證明來得高。
NPoS 提名權益證明是什麼？
NPoS 權益證明英文全名為 Nominated Proof of Stake，是基於 PoS 權益證明，並試著改良「大者恆大」缺點所衍生出的版本，為目前知名公鏈 Polkadot（DOT）、Cosmos（ATOM）所使用的共識機制。
NPoS 與 PoS 不同的點在於，若我們想參與區塊鏈帳本的運營，但沒有足夠的加密貨幣，也不想驗證交易紀錄，那我們可以成為提名人（Nominators）。提名人負責把自己的加密貨幣質押在信譽良好的驗證者上面，提高這些驗證者被區塊鏈選中成為記帳人的機會。當該驗證者被區塊鏈選中並獲得加密貨幣獎勵時，提名人也能獲得分成。
NPoS 有個特點，當驗證者得票數越高，代表有越多提名人彼此需要均分獎勵，降低平均收益，這使提名人投給該驗證者的誘因降低。也就是說，提名人會因利益取向而投給得票數較少的驗證者，這讓 NPoS 能夠阻止「大者恆大」的結果。
值得注意的是，若 NPoS 區塊鏈發現驗證者批准了無效交易等惡意行為，不僅會把驗證者質押的加密貨幣全數扣除，也會同時將提名人質押的加密貨幣全數扣除，以此避免提名人隨意挑選驗證者的情況。
結論
本篇介紹了區塊鏈常見的三大共識機制，讓大家對區塊鏈技術有更進一步的認識。無論是 PoW 工作量證明、PoS 權益證明或 NPoS 提名權益證明，沒有一種共識機制是完美的，加密產業仍處於早期階段，還有許多可以改善的空間。
不過，為了貫徹去中心化理念而被創造出來的共識機制，無處不是前人們的無數次試錯所得來的智慧，值得我們多多學習其背後的博弈與經濟誘因，從而理解去中心化的世界是如何構成的。
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