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

如果沒有共識機制
如果沒有共識機制

共識機制通常由兩大部分組成,「挑選記帳者」及「獎懲機制」。

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  • 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。

共識機制
共識機制

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。

PoW 工作量證明簡易圖說
PoW 工作量證明簡易圖說

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。

PoW 工作量證明挑選記帳者 礦工藉由貢獻算力來計算出「隨機答案」 第一名則為該區塊的記帳者 獎勵 加密貨幣 懲罰 無法得到區塊獎勵且白白消耗電力 優點 去中心化程度較高 安全性較高 缺點 傳輸速度較慢 需消耗大量電力
PoW 工作量證明

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。

PoS 權益證明
PoS 權益證明簡易圖說

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

PoS 權益證明挑選記帳者 驗證者需質押加密貨幣 並由區塊鏈隨機挑選成為記帳者 獎勵 加密貨幣 懲罰 驗證者質押的加密貨幣將全數扣除 優點 過程不會消耗額外電力 區塊鏈傳輸資料的速度通常較快 缺點 有大者恆大的疑慮 安全性通常不如 PoW 工作量證明
PoS 權益證明

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 提名權益證明
NPoS 提名權益證明簡易圖說

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。  

NPoS 提名權益證明挑選記帳者 驗證者需質押加密貨幣 並由區塊鏈隨機挑選成為記帳者 註:提名人可以質押加密貨幣在驗證者上 獎勵 加密貨幣 懲罰 驗證者、提名人質押的加密貨幣將全數扣除 優點 過程不會消耗額外電力 區塊鏈傳輸資料的速度通常較快 盡可能減少 PoS「大者恆大」的狀況 缺點 安全性通常不如 PoW 工作量證明
NPoS 提名權益證明

結論

PoW 工作量證明礦工藉由貢獻算力來計算出「隨機答案」 第一名則為該區塊的記帳者 加密貨幣 無法得到區塊獎勵且白白消耗電力 去中心化程度高 安全性較高 區塊鏈傳輸資料的速度較慢 過程將額外消耗許多電力 PoS 權益證明 驗證者需質押加密貨幣 並由區塊鏈隨機挑選成為記帳者 加密貨幣 驗證人質押的加密貨幣全數扣除 過程不會消耗額外電力 區塊鏈傳輸資料的速度通常較快 有大者恆大的疑慮 安全性通常不如 PoW 工作量證明 NPoS 提名權益證明 驗證者需質押加密貨幣 並由區塊鏈隨機挑選成為記帳者 註:提名人可以質押加密貨幣在驗證者上 加密貨幣 驗證者、提名人質押的加密貨幣將全數扣除 過程不會消耗額外電力 區塊鏈傳輸資料的速度通常較快 盡可能減少「大者恆大」的狀況 安全性通常不如 PoW 工作量證明
三大共識機制 PoW、PoS 和 NPoS 比較

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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