區塊鏈中的工作量證明 (PoW) 與權益證明 (PoS)

工作量證明與權益證明是加密世界中最知名的兩種共識機制。主要的加密貨幣依靠它們來提升效能並維護網路完整性。本文將逐一解析它們的運作方式，並強調優缺點。

什麼是工作量證明 (PoW)？

工作量證明 (PoW) 是一種共識機制，允許礦工（驗證者）確認交易 並將其新增到新區塊中。為了完成這件事，他們需要解決複雜的數學問題，並因此獲得獎勵。這個系統提供了一種透明且可靠的方式，讓整個網路能就區塊鏈的狀態與所有交易達成共識，被認為是最安全的。要產生一個有效的區塊，礦工必須嘗試數兆種組合。

PoW 如何運作？

Proof-of-Work 演算法的運作方式如下：礦工競爭誰能更快解開複雜的加密謎題。他們的目標是找到正確的 nonce —— 一個使區塊雜湊符合特定條件的獨特數字。一旦礦工找到，它就會將新區塊廣播至整個網路。若其他節點驗證通過，該區塊便成為鏈的一部分，礦工也會獲得獎勵。

這種方法的一大突破是解決了 雙重支付 (double-spending) 問題，即有人可能嘗試重複花費同一筆加密貨幣。在 PoW 系統中，礦工必須證明自己確實投入了時間與運算力來生成新區塊，這也是「工作量證明」名稱的由來。

PoW 幣種範例

以下是幾種採用 PoW 共識機制的加密貨幣：

• 比特幣 (BTC)： 最早採用 Proof-of-Work 的加密貨幣，使用 SHA-256 演算法。與所有 PoW 網路一樣，比特幣安全性強，但能耗巨大。速度方面，每 10 分鐘才產生一個區塊，高峰期甚至更慢，限制了交易速度。然而，比特幣依舊是去中心化的標竿，被譽為「數位黃金」。
• Kaspa (KAS)： 新一代 PoW 幣，採用 GHOSTDAG 協議與 kHeavyHash 演算法。Kaspa 支援平行區塊處理，每秒可生成數十個區塊，同時能耗更低。它針對 GPU 挖礦優化，並以技術先進的擴展性設計著稱。
• 萊特幣 (LTC)： 常被稱為比特幣的「銀」，相對於比特幣的「金」。它同樣採用 PoW，但演算法為 Scrypt。每 2.5 分鐘產生一個區塊，使交易速度更快、費用更低。因結構輕量化，它常被用於日常支付。
• 狗狗幣 (DOGE)： 第一個進入主流的迷因幣。它基於 Scrypt 演算法，每分鐘產生一個區塊。相較 BTC 更節能，且礦工可輕鬆加入礦池。每個區塊固定獎勵 10,000 DOGE，造就了它忠誠的社群。

現在我們介紹完最初且歷史最悠久的共識模型，接下來來看看主要替代方案 —— 權益證明。

什麼是權益證明 (PoS)？

Proof-of-Stake (PoS) 是一種替代性共識機制，也是加密貨幣領域最流行的演算法之一，在這裡 驗證者 (validators) 不需龐大算力即可確認交易並維持網路穩定。

PoS 的主要目標是以高能源效率提供網路安全。與 PoW 的競爭性挖礦不同，PoS 參與者透過 staking ——「質押」部分代幣，來證明他們對網路正常運行的承諾。任何擁有最低數量代幣的用戶都可以成為驗證者，或將資金委託至 staking 池。

這使得更多用戶能參與網路維護，大幅降低進入門檻，不再需要昂貴的硬體或低價電力。

PoS 如何運作？

PoS 運作原理是：基於多種因素（質押時間、隨機性、節點質押量）的隨機過程，來選擇下一個驗證者（相當於 PoW 的礦工）。在原始概念中，區塊鏈的控制權按持幣數量比例分配。用戶必須在網路上鎖定一定數量的加密貨幣，才能成為驗證者。

生成新區塊的過程稱為 鍛造 (forging)，驗證者的報酬通常來自交易手續費。參與者必須質押一定數量的代幣，質押越多，被選為驗證者的機率越高。當節點鍛造新區塊時，驗證者會驗證交易並將其加入區塊鏈。

為防止最富有的節點壟斷，PoS 網路常使用附加機制，如隨機區塊選擇或幣齡選擇。例如：若某用戶質押了網路總量的 30%，他就有 30% 的機率被選中生成下一個區塊。

PoS 幣種範例

一些加密貨幣採用 Proof-of-Stake。有些網路一開始就使用 PoS，也有的從 PoW 過渡至 PoS，例如以太坊。

• 以太坊 (ETH)： 最初基於 PoW (Ethash) 演算法，但受限於高額手續費與低速。隨著 Ethereum 2.0 升級與 PoS 的引入，網路從挖礦轉向驗證者機制。任何用戶質押 32 ETH 即可成為驗證者。PoS 讓以太坊降低了超過 99.95% 的耗電，並為未來擴容 (如 sharding) 奠定基礎。
• Avalanche (AVAX)： 採用 Avalanche 共識協議中的專有 PoS 變體，特點是高速與並行處理。驗證者透過區域子抽樣參與決策，使得共識可在 1 秒內完成。參與 staking 需至少質押 2000 AVAX。與其他 PoS 不同，Avalanche 的驗證者並非隨機選出，而是共同驗證所有區塊，提升了容錯率。
• Cardano (ADA)： 採用自主開發的 Ouroboros 演算法，為首個經正式驗證的 PoS 機制。系統分為 epoch 與 slot，驗證者在指定時間產生區塊。用戶可將 ADA 委託至 staking 池並獲取獎勵，且無需鎖定資金。Cardano 強調去中心化與數學安全性。
• Algorand (ALGO)： 實施 Pure Proof-of-Stake (PPoS) 模型，透過隨機挑選 ALGO 持有者組成委員會達成共識。只需最小餘額即可參與，且無需鎖倉。得益於輕量化演算法，Algorand 交易處理少於 5 秒，且區塊不可逆轉。

PoW 與 PoS 的完整比較

能源消耗

PoW 能耗極高，保障了安全性但成本大且速度慢。PoS 出現的目的就是降低計算成本，網路能耗大幅下降，對環境更友善。

安全性

PoW 雖碳排放高，但被證明是可靠的演算法，幾乎不可能進行雙重支付或偽造區塊。PoS 則依靠經濟激勵維護安全，若驗證錯誤交易將遭受懲罰 (slashing)。但某些系統選擇資金最多的驗證者，容易導致中心化。

可擴展性

PoS 因無需解算複雜數學，理論上速度更快、可擴展性更強。但它相對較新，尚未經歷如 PoW 那樣大規模的實際考驗。

比較表

特徵	工作量證明 (PoW)	權益證明 (PoS)
能源消耗	工作量證明 (PoW)極高，需要強大硬體挖礦	權益證明 (PoS)低，只需質押代幣
安全性	工作量證明 (PoW)經過長期驗證，攻擊代價極高	權益證明 (PoS)高，但依賴質押分佈，中央化風險更高
可擴展性	工作量證明 (PoW)受限，交易速度慢、吞吐量低	權益證明 (PoS)更佳，可擴展性高，交易更快、費用更低

讀完本文後，您可以依據自身目標與區塊鏈網路需求，在兩種演算法之間做出選擇。若仍有疑問，請留言提出！