工作量證明與權益證明：加密貨幣共識入門指南

工作量證明（PoW）和權益證明（PoS）是區塊鏈達成共識的兩種不同方式，共識指的是獨立計算機之間就哪些交易有效以及哪個賬本版本應被視為當前版本達成廣泛一致意見。它們通常被稱為“共識機制”，但實際上，區塊鏈的完整共識系統不僅僅包含PoW或PoS：它還包括網路規則、區塊驗證規則、分叉選擇規則、激勵機制和懲罰機制。

如果你是加密貨幣新手，最實用的入門知識是：工作量證明（PoW）要求參與者證明他們投入了運算資源；權益證明（PoS）則要求參與者將有價值的加密貨幣置於風險之中。比特幣是目前最知名的工作量證明網路。以太坊過去也使用過工作量證明，但在2022年切換到了權益證明。

初學者在比較 PoW 和 PoS 之前應該了解哪些內容？

你不需要了解高階密碼學，但有四個術語很重要。

• 區塊：添加到區塊鏈中的一組有效交易和相關數據。
• 節點：一種遵循網路規則並驗證資料的軟體。節點並非必然是礦工或驗證者。
• 共識：分散式參與者就區塊鏈的某個可接受狀態達成一致的過程。
• 分叉：指存在多個候選區塊鏈版本的暫時或永久情況。

以太坊官方文件做出了一個重要的區分：工作量證明（PoW）和權益證明（PoS）是更廣泛的共識機制的組成部分，而非獨立的共識機制。這個區分至關重要，因為安全性不僅取決於區塊的提出者，還取決於節點如何驗證區塊、如何解決相互衝突的鏈歷史記錄，以及如何使不誠實行為付出代價。請參閱以太坊共識機製文件。

工作量證明的工作原理

工作量證明（PoW）是一種礦工競相尋找區塊有效哈希值的系統。哈希值是數學函數的輸出，它將輸入資料轉換為固定長度的結果。在比特幣中，礦工反覆修改區塊頭數據並進行哈希運算，直到哈希值低於協議設定的目標值。

比特幣的原始白皮書將此過程描述為反覆嘗試不同的值，直到找到滿足網路難度要求的結果。一旦礦工找到有效的工作量證明，就可以將該區塊廣播給其他節點。這些節點不會自動信任礦工；它們仍然會獨立驗證區塊是否符合比特幣的共識規則。比特幣白皮書解釋了其核心設計，而比特幣開發者指南則提供了更詳細的技術說明。

為什麼「工作」本身很重要？

這項工作使得篡改歷史的成本非常高。每個比特幣區塊都包含對前一個區塊的引用。如果有人試圖篡改較早的交易，他們會改變該區塊的哈希值，並且需要重新計算該區塊以及之後構建在其上的區塊的工作量證明，然後才能與誠實網路保持同步。

比特幣全節點優先選擇累計工作量證明值最高的有效鏈。這比簡單地說「最長的鏈獲勝」要精確得多。一條鏈首先必須符合協定規則，而其累計工作量才是關鍵所在。

礦工實際需要什麼？

現代比特幣挖礦通常需要使用名為ASIC（專用積體電路）的專用硬體。這些機器旨在高效地執行比特幣的 SHA-256 哈希運算。因此，挖礦涉及硬體成本、電力、冷卻、網路連接和運維管理等諸多面向。

初學者應該避免一個常見的錯誤，即認為「運行比特幣節點」和「挖比特幣」是一回事。一個普通的全節點可以驗證區塊，而無需進行競爭性挖礦。

權益證明機制的工作原理

權益證明（PoS）以經濟抵押取代了計算競爭。驗證者無需證明他們消耗了能源進行哈希運算，而是將加密貨幣鎖定在協議中。這部分鎖定的金額稱為權益。

以太坊目前的系統就是一個典型的例子。單一以太坊驗證者向協議中存入 ETH 並運行驗證軟體。驗證者會檢查提議的區塊，發送稱為證明的投票，有時會被選中提議區塊。以太坊官方的 PoS 文件指出，單一驗證者目前需要 32 ETH。請參閱以太坊權益證明文件。

為什麼質押能提供安全保障？

其理念是，驗證者擁有有價值的東西，一旦失去就會受到懲罰。誠實參與可以獲得獎勵。錯誤或不活躍的行為會導致錯過獎勵或受到懲罰，而某些嚴重的協議違規行為會觸發懲罰機制，這意味著驗證者的部分質押將被銷毀，並且該驗證者將被移除出活躍參與機制。

以太坊列出了可被罰沒的行為，例如為同一區塊槽位提議衝突區塊或提交衝突的證明。這些與普通停機不同。罰沒僅適用於特定的協議違規行為。官方詳情請參閱以太坊的獎勵和懲罰文件。

工作量證明與權益證明概覽

使用 PoW 或 PoS 網路之前應該做哪些準備？

對於只想發送、接收或持有加密貨幣的普通用戶來說，通常不需要挖礦或驗證任何內容。你的主要任務是了解你所使用的網路及其確認機制。

轉帳前，請務必確認目標資產實際位於哪一條鏈上。即使代幣代碼相同，也可能存在於多個網路上，這些網路可能採用不同的共識機制，並擁有不同的提現位址。此外，也要確認交易所或服務商在到帳前需要多少次確認。

如果您想直接參與共識機制，那麼要求會大不相同。參與工作量證明（PoW）可能需要專門的挖礦設備、足夠的電力容量、冷卻系統以及合理的收益計算。參與權益證明（PoS）可能需要最低質押額、可靠的驗證節點運行時間、安全的金鑰管理以及對罰沒規則的透徹理解。

初學者該如何看待交易確認？

不同區塊鏈的確認機制並不完全相同。

在比特幣中，每個建立在包含你交易的區塊之上的新有效區塊都會增加其背後的累積工作量證明（PoW）。這就是為什麼人們在進行大額轉帳時通常需要等待多次確認的原因。

以太坊的權益證明機制也區分了區塊包含和更強的共識狀態。以太坊使用驗證者投票和檢查點最終性。根據以太坊的文檔，當至少三分之二的質押ETH支持時，檢查點即可最終確定。一旦最終確定，攻擊者若想撤銷檢查點，將面臨嚴重的經濟後果。

不要以為「六次確認」或其他任何固定次數是通用的加密貨幣規則。每條區塊鏈都有其自身的確認和最終性模型。

哪個系統能耗更低？

權益證明（PoS）通常避免了工作量證明（PoW）中持續的競爭性雜湊運算。以太坊明確指出，降低能源消耗是其在2022年從PoW轉向PoS的原因之一。但這並不意味著PoS完全不耗電：驗證者仍然需要運作電腦、網路設備和資料基礎設施。關鍵區別在於，網路安全不再依賴礦工透過大規模哈希運算持續競爭。

工作量證明機制的能源消耗並非偶然的副作用；這種消耗是其機制的一部分，使得重寫區塊鏈的成本高昂。這種權衡是否可取是一個更廣泛的設計和政策爭論，但從技術上講，這兩個系統是透過不同的稀缺資源來確保共識的。

哪個比較安全？

沒有一個字可以概括這個問題。它們採用的是不同的安全模型。

在比特幣式的工作量證明（PoW）機制中，控制權很大程度上取決於對算力的取得以及維持算力所需的資源。而在以太坊式的權益證明（PoS）機制中，影響力取決於質押的以太幣（ETH），懲罰和罰沒機制旨在使攻擊對攻擊者造成經濟上的毀滅性打擊。

安全性也取決於 PoW 或 PoS 以外的因素：客戶端軟體、挖礦或質押的去中心化、網路拓撲、協議設計、實現品質、經濟激勵以及節點運營商的行為。

對於初學者來說，最實用的一點是避免使用「PoS 就一定比較安全」或「PoW 就一定比較安全」之類的說法。有意義的比較必須明確指出具體的區塊鏈以及具體的攻擊或故障場景。

避免初學者常犯的錯誤

• 具有思考能力的礦工或驗證者可以創建任意交易。其他節點仍然需要驗證協定規則和簽名。
• 假設工作量證明（PoW）意味著每個節點都參與挖礦。驗證和挖礦是兩個不同的角色。
• 假設 PoS 只是意味著將代幣保存在錢包中。協議驗證需要驗證者的參與；被動持有則不同。
• 假設每次宕機都會進行罰金。以太坊區分了普通的不活躍狀態懲罰和特定的應受罰金的違規行為。
• 將所有區塊鏈都視為採用比特幣的確認模型。最終性規則因網路而異。
• 僅僅因為某個網路擁有共識標籤就選擇它，費用、應用生態系統、去中心化程度、智慧合約風險、錢包支援和運作可靠性也同樣重要。

一個簡單的易於記憶的心理模型

如果你只能記住一個比較對象，那就用這個：

工作量證明會問：“你能證明你花了計算資源嗎？”

權益證明機制會問：“你能證明你投入了協議可以懲罰的經濟價值嗎？”

兩者都是試圖解決同一個分散式系統難題：如何讓眾多彼此並不完全信任的參與者就一條有效的區塊鏈歷史記錄達成一致。它們只是以不同的方式提高了不誠實行為的成本。

接下來要學什麼？

一旦了解 PoW 和 PoS，接下來有用的概念就是分叉選擇（決定哪個競爭鏈更受青睞）、最終性（描述何時認為一個區塊極難或在經濟上不可能被撤銷）以及節點驗證（解釋為什麼礦工和驗證者沒有獲得無限的權力）。

這三個概念將幫助你理解為什麼區塊鏈安全遠不止「工作量證明」或「權益證明」這麼簡單。共識機制是一整套技術規則和經濟激勵機制，它使獨立的節點圍繞著一個被認可的帳本保持同步。