關鍵要點
Nakamoto 共識是可確保區塊鏈網路中所有參與者對區塊鏈的單一安全版本達成一致之協定。
它依靠工作量證明 (PoW)、區塊難度調整和去中心化來維護網路完整性並防止篡改。
在提供安全和普惠金融等優勢的同時，它也面臨高能耗和潛在中心化風險等挑戰。
前言
Nakamoto 共識是加密貨幣 (尤其是比特幣) 領域的一個基本概念。此共識機制以比特幣的匿名創始人中本聰 (Satoshi Nakamoto) 命名，徹底改變去中心化網路在無中心化機構情況下達成一致的方式。本文將探討 Nakamoto 共識是什麼、它如何運作，以及為何它對比特幣的運作至關重要。
什麼是 Nakamoto 共識？
Nakamoto 共識是區塊鏈網路用於就區塊鏈狀態達成一致 (共識) 的協定。它對於維護比特幣等點對點 (C2C) 網路的完整性和安全性至關重要。
基本上，Nakamoto 共識確保網路中所有參與者均對區塊鏈的單一版本達成一致，從而防止雙重支付等問題並確保交易有效。
Nakamoto 共識的關鍵組成部分
若要了解 Nakamoto 共識如何運作，就必須掌握其關鍵組成部分：
1. 工作量證明 (PoW)
工作量證明是將新區塊新增至區塊鏈的機制。它涉及解決需要大量運算能力的複雜數學問題。所謂的礦工競相解決這些問題。首個完成任務的礦工有權將下一個區塊新增至區塊鏈中，並獲得新鑄造的比特幣和交易手續費作為區塊獎勵。
2. 區塊難度
礦工需要解決的數學問題難度會定期調整。此確保區塊以一致的速度新增，對於比特幣而言，大約每 10 分鐘新增一個區塊。隨著日益增多的礦工加入網路並應用更多的運算能力 (雜湊率)，維持該速度的難度也會增加。
3. 區塊獎勵與激勵
礦工透過區塊獎勵和交易手續費獲得參與網路的激勵。當礦工成功地將一個區塊新增至區塊鏈時，其會收到新創造的比特幣作為獎勵。此外，礦工亦從區塊所包含的交易中收取交易手續費。這些激勵對於鼓勵礦工為網路貢獻其運算能力至關重要。
4. 去中心化
Nakamoto 共識以去中心化方式運作，此意味著無控制網路的中心化機構。反之，共識是透過遍佈全球參與者 (礦工) 的集體努力所達成。此去中心化是確保網路安全性和靈活性的核心特點。
Nakamoto 共識如何運作
Nakamoto 共識的達成過程可分為幾個步驟：
1. 交易廣播
當用戶想要進行交易時，他們會將其廣播至網路。然後，連接至比特幣網路的節點 (電腦) 會接收該交易。
2. 交易驗證
節點透過檢查多個因素來驗證交易有效性，例如用戶是否有足夠餘額，以及交易是否遵循網路規則。
3. 納入區塊
經過驗證的交易被礦工分組至一個區塊中。然後，礦工開始致力於解決與該區塊相關的 PoW 問題。
4. 解決工作量證明 (PoW)
礦工們競相解決工作量證明 (PoW) 所需的數學問題 (雜湊) 。該問題涉及找到滿足特定條件的雜湊 (字串) 。此過程佔用資源並需要大量運算能力。
5. 區塊新增
首個解決問題的礦工將其解決方案廣播至網路。其他節點會驗證該解決方案，若為正確，則將新區塊新增至區塊鏈中。該區塊成為鏈中的最新紀錄，所有後續區塊均將以它為基礎而建構。
6. 鏈的連續性
新增一個區塊後，礦工就會開始處理下一個區塊，此過程會重複進行。區塊鏈隨著時間推移而成長，每個區塊均包含對前一個區塊的引用 (雜湊) ，從而創建安全且防篡改的鏈。
安全性與攻擊抵禦
Nakamoto 共識旨在透過多種機制確保安全並抵禦攻擊：
1. 難度調整
工作量證明 (PoW) 問題的難度根據網路的總運算能力進行調整。此調整可確保區塊以一致速度新增，從而防止任何單一礦工或礦工群體主導網絡。
2. 多數決原則
網路依照多數決原則進行運作。為了成功改變區塊鏈，攻擊者需要控制超過 50% 的網路運算能力，即所謂的 51% 攻擊。在比特幣網路上，此作法非常不切實際且成本高昂，但較小的網路可能容易受到此類攻擊。
3. 去中心化
網路的去中心化性質使得任何單一實體都難以取得控制權。遍佈全球各地的礦工增加網路的靈活性。
4. 經濟激勵
礦工會獲得經濟上的激勵去誠實行事並遵守網路規則。試圖攻擊網路或創建無效區塊會導致資源浪費和潛在獎勵的損失，從而阻止惡意行為。
Nakamoto 共識的優勢
Nakamoto 共識具有以下幾個顯著優勢，有助於比特幣的成功和採用：
1. 去信任化環境
網路參與者無需互相信任或信任中心化機構。共識機制確保所有交易均為有效，以及區塊鏈安全且不可篡改。
2. 安全性
工作量證明 (PoW)、難度調整和去中心化的結合使網路高度安全。攻擊成功的可能性微乎其微，從而確保區塊鏈的完整性。
3. 透明性
區塊鏈是一個公共分類帳，此代表所有交易對任何人均為可見。此透明性增加系統的可信度，因為任何人均可驗證交易和區塊鏈的狀態。
4. 普惠金融
Nakamoto 共識的去中心化性質使任何能夠存取網際網路者均可參與網絡，從而促進普惠金融。
挑戰與批評
儘管有其優點，Nakamoto 共識也面臨著挑戰與批評：
1. 能耗
工作量證明 (PoW) 機制需要大量的運算能力，導致高能耗。這引起了環保方面的擔憂，並令部分人士呼籲建立更節能的共識機制。
2. 中心化風險。
雖然網路設計為去中心化，但若少數礦池控制網路的大部分運算能力，則會存在中心化風險。
3. 可擴展性
Nakamoto 共識的目前設計限制每秒可處理的交易數量。隨著網路發展， 可擴展性成為一個疑慮，因而促使閃電網路等解決方案的開發以解決此問題。
4. 分叉 (區塊鏈)
社群內部的分歧可能會導致分叉，即區塊鏈分裂成兩個獨立的鏈。這可能會造成混亂和不確定性，2017 年比特幣和比特幣現金的分裂即為典型例子。
Nakamoto 共識與拜占庭容錯 (BFT) 系統
Nakamoto 共識和拜占庭容錯 (BFT) 均是拜占庭將軍問題的解決方案。這兩個概念均旨在分散式系統中達成一致，但在方法和應用上有所不同。
BFT 通常依賴節點間的投票過程，要求故障參與者少於三分之一，即便某些元件故障或出現惡意行為，其亦能確保系統正常運行。
相較之下，比特幣使用的 Nakamoto 共識採用工作量證明 (PoW) 在完全去中心化和去信任化環境中達成共識，在該環境中礦工會解決複雜的難題向區塊鏈增加新的區塊。
雖然 Nakamoto 共識納入 BFT 原則，但它引入了 PoW 和經濟激勵等獨特機制來確保安全性和去中心化。其針對加密貨幣等開放網路進行優化，允許大規模參與，但也面臨能耗和可擴展性等挑戰。
傳統的 BFT 系統在能源使用和通訊方面更加高效，但更適合具有一定程度信任和較小規模參與的環境。因此，Nakamoto 共識是 BFT 原則在去中心化應用的創新變更。
總結
Nakamoto 共識是一項突破性創新，作為比特幣的安全性和功能性的基礎。透過利用工作量證明 (PoW)、難度調整和去中化參與，它可以實現去信任化、安全和透明的金融系統。儘管能耗和可擴展性等挑戰仍然存在，但正在進行的研究和開發將繼續嘗試解決這些問題。
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