区块链算法现状解析：主流共识机制如何平衡性能、安全与能耗？

导读： 区块链技术已然越过最初加密货币的范畴界限，其底层算法的演进状况直接对应用的效率以及可能性起到决定作用。当下，算法的核心竞争聚焦点正从共识机制的单一方向的优化情形...

区块链技术已然越过最初加密货币的范畴界限，其底层算法的演进状况直接对应用的效率以及可能性起到决定作用。当下，算法的核心竞争聚焦点正从共识机制的单一方向的优化情形，转变为性能、安全、隐私以及可扩展性的综合性平衡态势。现实世界的应用需求正在反向促使技术进行务实的改进举措，而不是停留在理论层面的空想状态。本文将会梳理主流共识算法的发展所存在的瓶颈问题，并且探讨为应对不同场景而产生的创新解决办法。

区块链共识算法有哪些主要类型

现下主流的共识算法大体上主要划分成两大阵营，分别是工作量证明，也就是PoW，以及权益证明，也就是PoS 。工作量证明乃是比特币的基石，它凭借算力竞争去维护网络安全 。它的优势在于去中心化程度颇高，其安全性历经了漫长时间的考验 。然而其缺点也相当突出，即存在惊人的能源消耗以及低下的交易处理速度，这对其在高频场景里的应用有所限制 。

代表以太坊2.0的另一阵营权益证明，是通过持有以及质押代币去获取记账权的。它从根源上把能耗这个问题给解决了，并且交易确认的速度也变得更快了。可是，PoS引发了对于“富者愈富”以及中心化风险的忧虑。另外，像实用拜占庭容错这样一类算法在联盟链里被广泛运用，它们在已知且部分可信的节点之间能够达成高效率，只是节点数量扩展性比较差。

工作量证明算法为何逐渐被淘汰

工作量证明所面临的淘汰压力，主要源自其不可持续的环境成本，全球比特币网络年度耗电量已然同中等国家不相上下，这和全球碳减排目标根本相悖逆行呢，这种单纯凭借能源消耗获取安全性的模式，当此环保意识如潮高涨之际，正承受着极大的伦理以及政策压力呀，诸多了国家和地区已针对其采取了限制举措 。

除却环境方面的问题，其性能瓶颈也愈发明显地呈现出来，比特币网络每秒仅仅能够处理大概7笔交易，确认所需时间竟长达10分钟之上，简直无法为任何具有实质意义的商业应用提供支撑。即便存在闪电网络等二层解决方案着手尝试作缓解，然而底层协议所具备的局限性致使PoW难以跃身为下一代区块链基础设施的核心。市场以及应用开发者正通过实际行动来表明态度，转而投向更为高效的算法领域 。

权益证明算法如何解决能源消耗问题

权益证明借助经济质押取代物理算力，从根源上摒弃了能源竞赛。节点为参与共识需锁定一定量原生代币当作“保证金”，作恶会被罚没质押金。此设计把安全维护成本由外部能源转变为内部经济激励，致使网络运行能耗降低到与普通服务器相近水平，能效提升了好几个数量级 。

这不单单是一种技术方面的改进，更是一种经济模型展开的创新；PoS引导着参与者对网络始终报以长期健康的关注，而非短期算力那样向里面投入；以太坊转为PoS之后，能耗降低了大概99.95%，这属于是一个十分举足轻重、意义开创性的进步，这种进步使得区块链技术能够被更多十分注重ESG（环境、社会和治理）的企业与机构加以考虑，为大规模应用清理且排除了一个相当关键的障碍 。

联盟链常用的共识算法有什么特点

在联盟链的场景，像是金融领域、供应链管理方面，那参与的节点一般都是经过许可的、大家已知的机构。所以，共识算法就不用同完全匿名的恶意节点去对抗，而是把重点转移到处理效率还有数据一致性上面。实用拜占庭容错，也就是 PBFT 以及它的变种可是典型的代表，它们能够在存在少量恶意节点的情况下，快速地完成一致性确认。

这类算法具备高性能的特点，有着低延迟的特性，还拥有最终性确定的属性。比如说，Hyperledger Fabric所采用的Kafka共识，在理想情形下能够达成每秒数千笔的交易吞吐量 。它们割舍了部分去中心化特性，从而换得了企业级应用所必需的隐私性，具备可控性以及合规性。这些算法和公链算法构成了鲜明的互补态势，服务于不一样的商业需求 。

新的共识算法如何提升交易处理速度

提升交易速度，是算法演进的核心驱动力的其中之一 。分片技术，是当前最受瞩目的方向，它将要把网络状态以及交易处理，分割为多个碎片，并且进行并行处理 。这意味着以太坊2.0，正是朝着这个方向演进进去 。把这和数据库的水平扩展进行对比，在理论之上能够实现，交易吞吐量的线性增长 。但是带来了问题，是非常严重的挑战，是跨分片通信，还有状态一致性的复杂挑战 。

一类创新性的情况是，采用有向无环图这种结构，就像IOTA里面的Tangle，它把区块以及链式结构给摒弃掉来，让交易能够进行异步而且并列式的确认，对于物联网背景下适合小额支付之场景适配性特别高，还有类似Avalanche协议这种，借助随机抽样以及处于一种亚稳态特性的决策达成快速共识，能够在几秒时间内达成最终层面的确认，这些探索行动全都在试着去突破处于“不可能三角”范畴里面可扩展性的限定。

区块链算法面临哪些安全与隐私挑战

在安全性这一范畴内，算法自身以及其经济模型均有产生漏洞的可能性。PoS面临着诸如远程攻击、长程攻击这类新型的威胁，并且复杂的质押以及惩罚机制也存在能被操纵的情况。即便属于成熟的PoW，同样面临51%算力攻击的风险，虽说成本高昂然而并非没有可能发生。算法的安全性是需要历经长时间、具备高价值的实战来进行检验的。

隐私挑战更为严峻，多数公有链上交易透明可追溯，这不符合商业隐私要求，零知识证明、同态加密等密码学技术正被集成到算法与协议层，以达成交易数据保密性 。比如Zcash用的zk - SNARKs技术，能不透露任何交易细节就验证交易有效性，怎样在确保透明可信之际保护隐私，是算法设计里长期博弈 。

时至今日，区块链算法在其发展进程里已然步入深水区，那种单一有效的解决方案已然不复存在。未来的走向必定朝着多元化以及场景化的方向发展，不同的业务所需将会适配不同的共识机制。对于开发者或者企业来讲，究竟是优先去考量绝对的去中心化安全，还是追求极致的性能与隐私，这绝对是一个带有根本性意义需要慎重做出的选择。

于性能而言，并关乎安全以及去中心化此等“不可能三角”里，您所持认知当中，当下最为急切所需于哪一个维度斩获突破，以此来促使区块链技术真真切切地融入主流产业应用？欢迎于评论区去分享您内心的见解，如果这篇文章对您存有帮助的话，也恳请点赞予以支持。