工作量證明與權益證明
初學者指南
工作量證明 (PoW) 與權益證明 (PoS) 是公共區塊鏈網絡最常用的兩種共識機制。這些系統既能保障網絡安全，亦可激勵去中心化參與者群體攜手合作，以促進網絡整體利益。
全球任何人都可以參與公共區塊鏈系統。沒有任何單一公司、中央銀行或政府負責管理這些網絡的運作方式。這意味著，沒有人能直接控制 Bitcoin、Ethereum、Dogecoin 或 Monero 等熱門區塊鏈。
這是因為這些技術具有去中心化特性。正如互聯網一樣，這些系統並沒有單一人士或團體負責其維護與運作。相反，這項責任是由全球數以千計的個人共同承擔。然而，去中心化伴隨著一些值得關注的重要問題：
- 要如何打造一套穩健、無需信任而又能抵禦惡意行為者的系統？
- 既然任何人都能加入網絡，那麼該如何促進誠實參與，並勸阻不良行為者？
- 既然沒有統籌管理者，那麼該如何挑選由誰提議、驗證及在區塊鏈上記錄數據？
這正是工作量證明 (PoW) 與權益證明 (PoS) 發揮作用的所在，這兩者更廣泛地被稱為區塊鏈共識機制。
甚麼是共識機制？
共識是指一個系統或一群人就某段資訊達成的一致意見。
區塊鏈共識是指在分散式電腦網絡中各節點就儲存在共享數據庫上的資訊的次序與有效性所達成的一致狀態。
Bitcoin 區塊鏈及隨後出現的其他區塊鏈之所以具有革命性，是因為它們解決了一個長久存在的難題，即拜占庭將軍問題。
拜占庭將軍問題是分散式運算中的一個經典難題，旨在探討信任相關的議題。這是一個分散式部隊之間的共識問題，即多名將軍試圖就進攻一座城池的行動作出協調。在這個問題中，將軍們無法彼此直接溝通，而且其中部分將軍可能是叛徒，會向其他將軍傳送虛假訊息。
在區塊鏈的語境下，拜占庭將軍問題本質上是一個共識問題。在區塊鏈網絡中，有多個節點正嘗試就帳本的狀態達成共識。然而，部分節點可能是惡意的，並會嘗試向其他節點傳送虛假資訊。問題在於，其他節點必須能夠信任自己收到的資訊才能達成共識。
區塊鏈透過使用共識演算法來解決拜占庭將軍問題，以激勵網絡中的所有參與者就唯一真實版本達成一致。這是透過讓網絡中的每個節點先驗證交易，再就該交易的有效性達成一致來實現的。系統隨後會將此共識記錄在區塊鏈上，從而建立一個不可篡改、安全且集體共享的真相來源。共識機制可確保網絡中的所有參與者都擁有相同的真實版本，並確保該交易是有效的。
電腦科學家在 1980 年代構想出這個問題，但其基本概念卻源自經濟學中一個較早的分支，即博弈論。數學家約翰·馮·諾伊曼與奧斯卡·摩根斯特恩早在拜占庭將軍問題出現的三十年前便已開創了博弈論。他們的研究分析了博弈的結果，這些結果取決於參與者的個體行為、收益與懲罰。
區塊鏈共識機制將這些理論原則融入其中。參與區塊鏈網絡的參與者會受到激勵，為自身以及網絡的整體利益而誠實行事。相反，惡意行為者若作出不誠實行為，便會遭受懲罰。
有趣的是，PoW 與 PoS 系統是以完全不同的方式來實現無需信任的共識。
甚麼是工作量證明 (PoW)？
工作量證明是一種共識機制，要求被稱為「礦工」的網絡用戶投入運算能力去完成一項任務。
工作量證明 (PoW) 共識機制於 1990 年代初首次推出，最初是用作防止電郵垃圾訊息的系統。這種方法要求用戶先解決一項密碼學問題才能夠發送電郵。
對於只發送少量電郵的正常用戶而言，解決這一道密碼學難題只是一項簡單的任務。然而，對於想要大規模地發送垃圾電郵的不誠實行為者而言，所需的運算能力會令這項嘗試變得成本高昂得多。
Bitcoin 和工作量證明
2009 年 1 月，Bitcoin 白皮書的化名作者中本聰推出了 Bitcoin 協議。這套點對點電子現金系統採用了 PoW 機制的改良版，用以解決前述的拜占庭將軍問題。
Bitcoin 協議中所使用的 PoW 共識機制包含一項以密碼學為基礎的競爭。用戶會競逐利用各自電腦來提議在帳本中寫入新紀錄的權利。
透過 Bitcoin 挖礦過程，礦工會生成稱為雜湊值的隨機的固定長度代碼。礦工是透過將輸入值隨機輸入一套密碼學雜湊演算法來生成這些雜湊值。如此操作會產出長度為 64 位的獨特十六進位代碼（此類代碼僅由 0–9 的數字與字母 A–F 組成）。
礦工會隨機生成雜湊值，直到某一個雜湊值的前端零數量與目標雜湊值相同或更多為止。
目標雜湊值是由區塊鏈協議的難度調整演算法所設定的一個數值。
當一位礦工成功超越目標雜湊值時，便會獲得提議新的交易區塊並使其加入區塊鏈的權利。若網絡將該被提議的區塊視為有效，該礦工便會因自己的付出而獲得區塊獎勵。若網絡判定某區塊無效或屬欺詐，各節點便會拒絕該區塊，而該礦工的付出亦會白費。
若你想進一步了解加密貨幣背後的密碼學知識，可以參閱我們的《加密貨幣如何運用密碼學》初學者指南。
激勵與獎勵分配
作為對其付出的回報，成功的礦工可獲得新鑄造的 Bitcoin，以及所有他們加入新區塊的交易的手續費。這項獎勵被稱為區塊獎勵。
個別礦工有可能透過礦池將各自的運算資源集中起來，以提高他們贏得挖礦競賽的機率。所獲得的任何區塊獎勵都會在礦池參與者之間按比例分配。
區塊獎勵通常遵循一項嚴格的預先定義貨幣政策，其中的獎勵會隨時間推移系統性地減少。例如，Bitcoin 每 210,000 個區塊（大約每四年一次）將每個區塊獎勵的新鑄幣數量減半。這種減少被稱為 Bitcoin 減半，新幣流入流通的發行速度因此會逐步減緩。
你可於我們的 Kraken Intelligence 報告《減半：Bitcoin 的供應通脹機制的趨勢與影響》中，閱讀更多有關 Bitcoin 減半的內容。
驗證和發行
一旦勝出礦工提議新交易區塊，網絡中的其餘礦工便會獨立驗證該區塊內的所有交易。一旦他們就區塊內所住在資訊的有效性達成共識，該區塊便會永久加入區塊鏈。
透過要求網絡中的所有用戶在被提議的交易確定之前必須先獨立確認，就能做到幾乎不可能雙重支付自己的餘額。雙重支付同一筆幣的可能性只有在 51% 或以上的驗證者均不誠實的情況下才會構成威脅。然而，隨著區塊鏈網絡的擴大，要完成這類攻擊的難度會呈指數級上升。
在每一輪新區塊的挖礦競賽結束後，系統便會按照每個協議程式設定的區塊時間，再次重新開始這一輪競賽。以 Bitcoin 為例，新區塊大約每 10 分鐘會被發現，但區塊時間會因加密貨幣的不同而有所差異。其他加密貨幣，例如 Litecoin 與 ZCash，則分別約每 2.5 分鐘與75 秒產生新區塊。
此機制不但能維護網絡安全，還可確保新的加密貨幣單位以固定的預先設定速率進入流通。
PoW 的優點與缺點
使用 PoW 系統的優勢之一是安全性。在成熟的 PoW 區塊鏈上，要執行欺詐性交易，必須耗費大量的運算能力。
不誠實行為者只有在控制大多數（即超過百分之五十）網絡的運算能力時，才能夠進行欺詐。這類漏洞被稱為 51% 攻擊。若有人能控制超過 51% 的網絡，他們便可重新排列交易順序、雙重支付餘額，以及阻止某些入帳付款。
PoW 系統之所以難以攻擊，是因為要利用網絡，就必須具備專用設備以及龐大的能源量作為支撐。
然而，基於 PoW 的區塊鏈需消耗大量能源，這一點常受到加密貨幣批評者的抨擊。不過，值得注意的是，這種能源消耗其實是刻意設計的特性。在大多數情況下，雜湊算力越高，網絡安全性也越高。
若想釐清加密貨幣挖礦的事實與迷思，可參閱我們的專題文章《破解加密貨幣迷思：「Bitcoin 正在破壞環境」》指南。
最終，為求利潤最大化，PoW 礦工必須盡可能壓低營運開支，並尋求廉價且穩定的能源。不少礦工會採用可持續能源組合，以壓低成本並減輕環境方面的憂慮。
甚麼是權益證明 (PoS)
與工作量證明那種直接競爭的模式不同，權益證明 (PoS) 透過另一套激勵機制確保網絡參與者誠實行事。
在 Bitcoin 推出三年後，兩位開發者斯科特·納達爾和桑尼·金創建了 PoS 共識機制。他們的主要目標是要打造一套比工作量證明更節能的系統。
在權益證明 (PoS) 機制下，網絡參與者須購入並鎖定該協議的原生代幣，以驗證新交易區塊。作為回報，他們可獲得質押獎勵（通常以質押資產的利息形式發放）。
許多領先的 PoS 區塊鏈，例如 Ethereum、Cardano、Algorand 與 Polkadot，都會採用各自的選擇演算法，以決定哪些質押者可獲得提議新區塊的權利。
一般而言，質押更多代幣的參與者獲得驗證新區塊的機會會較高；但這類演算法會內建一定程度的隨機性。
這種隨機化設計旨在提升公平性，意味著所有質押參與者都有機會獲得獎勵。
Ignite（前身為 Tendermint）也是一種廣泛使用的 PoS 類共識機制，其中的驗證者會為欲加入區塊鏈的新區塊進行預投票、預提交及正式提交三輪投票。獲得三分之二多數票的區塊將被寫入區塊鏈。
PoS 採用與 PoW 相似的策略，即透過要求驗證者投入自有資金來激勵誠實行為。同樣，這項成本在不同協議之間差異甚大，當中也包括運行驗證者節點所需的開支。
相比於為盈利而挖掘熱門 PoW 加密貨幣（例如 Bitcoin (BTC)）所需的設備，PoS 驗證者節點的設備整體上往往便宜得多。
激勵與獎勵分配
在大多數 PoS 區塊鏈中，網絡驗證者會被提名負責驗證交易區塊，而不像另一種證明那樣要彼此競爭來提議新區塊。作為回報，驗證者可獲得獎勵，有時是以固定年利率的形式發放，以表彰他們協助保障網絡安全。
那些缺乏成為獨立 PoS 驗證者所需的技術知識或未能達到最低資產門檻的人，可以將資金與其他投資者合併運用。
在這種情況下，多位較小型投資者可將資金集合起來，組成一個單一質押單位。具備專業知識而被選出的個人或團隊會負責維護與運作這些質押池。然後，投資者會按比例將獎勵分配給自己及質押池營運者。
正如 PoS 共識機制會激勵驗證者誠實行事一樣，它們亦會在驗證者違反協議規則時施以懲罰。若驗證者或受託質押池營運者作出欺詐行為，部分協議可部分或全數沒收其質押資產。這種被稱為「罰沒」的機制進一步激勵網絡參與者保持良好行為。
驗證和發行
要參與質押流程，大多數 PoS 區塊鏈協議均要求用戶先鎖定一定最低數量的代幣，方可取得參與資格。
在 Ethereum 的新 PoS 區塊鏈中，要成為驗證者，須質押 32 Ether——該鏈的原生加密貨幣。然而，流動質押協議應運而生，大幅降低了這道高門檻。
在 Polkadot 的 PoS 區塊鏈上，最低質押要求可低至 10 DOT，亦可高達 350 DOT。DOT 是 Polkadot 的原生加密貨幣。
與 PoW 區塊鏈一樣，PoS 區塊鏈在新提議的交易區塊加入鏈上之前，網絡必須先獨立驗證該區塊。
PoS 鏈亦遵循一套透明的發行時間表，讓整個網絡皆可查閱新幣如何進入流通。
PoS 的優點與缺點
權益證明區塊鏈的主要優點在於其能源效益遠高於 PoW 協議。由於 PoS 驗證者是被提名去驗證區塊，而非以昂貴設備競爭，因此所消耗的能源較少。
PoS 共識機制的主要缺點在於存在質押集中化問題。
在 PoS 區塊鏈中，一個人所質押的代幣數量基本上決定了該人被選中以驗證交易區塊並獲得獎勵的可能性。正因如此，PoS 系統可能會傾向資產較多的參與者，而不利資產較少的質押者——有人認為這會導致網絡集中化。
由於這項缺陷，不少人認為少數大型質押池及巨鯨投資者或會取得對區塊驗證的集中控制權。這項因素違背了加密貨幣的核心原則，並削弱整體網絡安全。
部分 PoS 區塊鏈的另一項問題是流動性不足。有時用戶須待鎖定期屆滿方可取回其質押資產。此問題會降低相關加密貨幣的市場流動性，並使投資者在關鍵市場走勢期間無法動用其質押資金。
這兩種共識機制均能解決拜占庭將軍問題，但方法截然不同。PoW 共識機制是一套久經考驗的系統，能夠提供極高的安全水平。另一方面，PoS 共識機制日益普及，成為一種更節能、更具可擴展性的替代方案。
開始購買加密貨幣
既然你已了解工作量證明與權益證明之間的全部差異，你是否已準備好邁出加密貨幣之旅的下一步？立即點擊下方按鈕，於 Kraken 購買加密貨幣！
實用資源
想要更深入了解特定的加密貨幣和區塊鏈項目嗎？若有興趣，歡迎瀏覽我們的學習中心，在這個不斷發展的領域中進一步拓展您的知識。