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區塊鏈透過「共識機制」來解決在去中心化環境中的信任問題。工作量證明（PoW）要求礦工進行大量計算來驗證交易，確保網路安全，但伴隨著高能耗和算力集中的風險。權益證明（PoS）則根據持幣量選擇驗證者，能降低能耗，但可能導致權益集中。本文比較了 PoW 和 PoS 的異同，並分析了其實際應用、優勢及潛在風險。
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本系列文是憑記憶整理 XREX Academy 20th 高雄班第二週課後學員的問題與我的回答
用白話與類索引方式提供初學者參考
系列文預計會涵蓋下列主題的科普知識：
PoW v. PoS （本文）
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首先，我們來了解區塊鏈技術試圖解決的兩個關鍵信任問題。
一個虛構的例子可以幫助解釋這個問題。想像你去咖啡店買了一杯咖啡，你付了100元，然後告訴店家你已經支付了這筆錢。但同時你用同一張100元去隔壁的書店買了一本書。這樣的情況在數位世界裡稱為「雙重支付」問題：如果同一筆錢能被用兩次，系統就會崩潰。
在傳統的金融系統中，銀行充當中介來防止這種情況發生。然而，區塊鏈是一個去中心化的系統，沒有中央機構，因此需要一種機制來確保每筆支付只能被使用一次，這就是共識機制的作用。
第二個問題是如何維持去中心化。區塊鏈的理想之一是不依賴中央機構，讓所有參與者共同管理和驗證交易。然而，這樣的系統如何防止有人試圖取得過多的控制權，從而影響整個網路？這也是共識機制必須處理的挑戰之一。
PoW 是比特幣最早引入的共識機制。可以把它想像成一場「猜數字比賽」：參與者（也就是礦工）需要使用他們的電腦去猜一個隨機的數字，這個數字很難猜中，需要不斷嘗試。當某個礦工猜對了，其他礦工可以很快驗證這個答案。猜對的礦工就可以把一組新的交易（也稱為區塊）加入到區塊鏈中，並獲得比特幣作為獎勵。
比特幣是 PoW 最知名的應用案例。至 2023 年，比特幣網路的總算力已經非常龐大。如果我們用更簡單的比喻來解釋這個算力：你可以想像全世界數百萬台強力電腦同時在玩一個大型猜數字遊戲，每台電腦都在拼命地進行計算，試圖成為第一個猜對數字的玩家。
這樣的龐大計算力，讓比特幣網路非常安全，因為要攻擊這個系統（例如進行雙重支付），攻擊者必須控制全網超過一半的算力，這在現實中幾乎是不可能的。
能源消耗：PoW 的一個主要缺點是需要大量電力來支持這個「猜數字遊戲」。比特幣網路每年消耗的電力超過一些國家的年耗電量，引發了外界對環保問題的批評。
為了應對這個問題，越來越多的比特幣礦工轉向使用再生能源。除了薩爾瓦多利用火山地熱來進行挖礦的例子外，還有像冰島和挪威這些國家利用豐富的水力發電資源來支撐挖礦活動，減少對環境的影響。
算力集中風險：另一個問題是，隨著挖礦設備的成本越來越高，個人礦工越來越難與大型礦場競爭，這導致全球幾個大型礦池掌握了大部分的算力。這種算力集中與區塊鏈的去中心化理想背道而馳。
對於這個問題，協助薩爾瓦多推動比特幣債券的 Samson Mow 提出了另一種解決方案。他認為，未來電力公司可以利用多餘的電力來挖礦，這樣不僅可以減少浪費，還能有效地將電力的價值「儲存」起來，變成一種資產。
PoS 是另一種常見的共識機制，它不需要大量的計算來「猜數字」。相反，在 PoS 系統中，參與者根據他們持有的加密貨幣數量來參與驗證。持有越多幣的人，有更高的機會被選為下一個生成區塊的節點，並獲得獎勵。這可以看作是一種「抽獎」，持有越多「抽獎券」的人，中獎機會越大。
以太坊是 PoS 機制最知名的應用之一。它在 2022 年完成了從 PoW 向 PoS 的過渡，並宣稱其能源消耗減少了 99%。在以太坊的 PoS 系統中，參與者必須質押 32 枚 ETH 才有資格成為驗證節點，而這些質押的代幣在質押期間無法移動或使用，這種機制被稱為「鎖倉」。
以太坊還引入了一種隨機的節點選擇機制，來確保系統的公平性。它也使用了「分片機制」（Sharding）來提高交易處理速度，讓網路能夠同時處理更多的交易。
權益集中風險：在 PoS 系統中，持有大量代幣的人擁有更多影響力，這可能會造成「富者越富」的效應。大持幣者獲得更多的回報，從而進一步增加他們的持幣量，這會導致權益過度集中。
伺服器託管風險：驗證節點必須全天候維持穩定運行。許多用戶為了簡化操作與方便管理，選擇將他們的代幣交給大型雲端服務提供商來代為質押和運行節點，例如 AWS 或 Google Cloud。這使得伺服器的運行實際上集中在少數幾家大公司手中，可能會增加技術層面的中心化風險。
雖然以太坊使用了 PoS 機制，但不同區塊鏈平台的 PoS 設計略有不同，以下是一些主要差異：
以太坊：用戶需要質押 32 枚 ETH 並進行鎖倉。驗證節點隨機選擇，並使用分片來提高效率。質押的代幣在質押期間無法取出或移動，且如果節點作惡，會面臨「罰沒」部分或全部質押資產的懲罰。
Cardano：Cardano ($ADA) 採用的是「流動性質押」機制，這意味著用戶不需要鎖倉，代幣可以隨時提取或轉移。這使得 Cardano 的 PoS 機制更加靈活，降低了用戶參與的門檻。官方建議成為 Cardano 的驗證節點需要具有足夠技術能力。沒有硬性規定最低質押或委託的代幣數量，但依然需要足夠的委託代幣才能維持營運甚至獲利。
Cosmos：Cosmos ($ATOM) 的 PoS機制使用了一種「鎖倉」和「解鎖期」的設計，這意味著質押的代幣需要鎖定一定時間，並且解鎖需要一段時間。成為 Cosmos 生態中的驗證節點也有一定的技術門檻，並且驗證者的名額有限（最多 175 個驗證節點），只有獲得足夠的代幣委託才能參與區塊驗證。
不同的 PoS 系統都設有懲罰機制來應對惡意行為。這些機制稱為罰沒（slashing），如果某個節點被發現試圖作惡，系統會罰沒該節點質押的代幣。例如，以太坊的罰沒機制會對試圖進行雙重簽名或脫機的節點進行處罰，而 Cosmos 和 Cardano 也有類似的懲罰措施，以確保網路的安全性。
區塊鏈平台 | 驗證節點要求代幣數 | 鎖倉要求 |
|---|---|---|
以太坊 | 32 ETH | 是（鎖倉） |
Cardano | 無具體數量限制 | 否（流動性質押） |
Cosmos | 需獲足夠委託的代幣 | 是（鎖倉及解鎖期） |
工作量證明（PoW）和權益證明（PoS）是區塊鏈技術中兩種最常見的共識機制，它們分別嘗試解決區塊鏈的安全性與去中心化問題。PoW 雖然具有很高的安全性，但其高昂的能源消耗和算力集中問題備受批評。另一方面，PoS 的確降低了能源消耗，並且使參與者不再需要龐大的計算能力，但權益集中和伺服器託管風險可能會威脅到網路的去中心化。
對於區塊鏈愛好者和投資者來說，了解這些機制的優劣有助於更好地理解區塊鏈的技術運作原理，也能在未來面對區塊鏈的多樣化應用場景時作出更明智的選擇。
