# 區塊鏈「共識機制」層級的 Proof-of-X（PoX）：

**一、經典與主流共識機制**

| **名稱** | **簡介** | **範例鏈** |
| --- | --- | --- |
| **PoW（Proof of Work）** | 以運算力（工作量）換取記帳權，防範女巫攻擊與雙花（double spending）。 | Bitcoin、Litecoin |
| **PoS（Proof of Stake）** | 依代幣質押量選擇出塊者，節能高效但初期分配影響大。 | Ethereum、Polkadot |
| **DPoS（Delegated PoS）** | 選舉代表來出塊，提升效率但犧牲部分去中心化。 | EOS、TRON |

**二、新型工作量證明擴充（PoW 變種）**

| **名稱** | **簡介** | **範例鏈** |
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| **uPoW（useful Proof of Work）** | 工作量不僅用來解 hash，也產出有用的計算結果（如 AI 訓練）。 | Qubic |
| **PoET（Proof of Elapsed Time）** | 使用可信硬體（如 Intel SGX）產生隨機等待時間作為工作量替代。**模仿 PoW 的「公平抽選出塊者」邏輯。** | Hyperledger Sawtooth |

**三、身份與人格共識設計**

| **名稱** | **簡介** | **提出者／應用** |
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| **PoP（Proof of Personhood）** | 每人限一身份參與，防止女巫攻擊，不靠資產或硬體。 | Gavin Wood 提出的未來願景、Worldcoin、BrightID（概念近似） |
| **PoID（Proof of Identity）** | 透過去中心化身份系統（DID）驗證個體唯一性參與共識。 | Worldcoin |

**四、混合式與創新模型**

| **名稱** | **簡介** | **範例鏈** |
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| **PoA（Proof of Authority）** | 少數被授權節點掌握共識權，中心化但高效率。 | BNB Chain（部分）、VeChain |
| **PoH（Proof of History）** | 時間證明機制，提供共識排序依據，需與PoS結合才具安全性。 | Solana（與PoS混用） |
| **PoWeight（Proof of Weight）** | 共識權重依某種計量（如持幣、持有時間）動態分配。 | Algorand（類 PoS，但權重更彈性） |

# **一、Proof of Work（PoW）**

## **1.1 概念說明：什麼是 Proof of Work？**

Proof of Work（簡稱 PoW，中文通常譯為「工作量證明」）是區塊鏈歷史上最早、最經典的共識機制。它最早應用在比特幣（Bitcoin）中，由中本聰於 2008 年的白皮書中提出，用以解決**如何在沒有中央機構的情況下建立一個可信賴的分散式帳本**。

在 Proof of Work 中，礦工透過大量隨機猜測來嘗試找到一組特定的解，誰先猜中就獲得出塊與記帳權。由於猜測過程無法預測與加速，因此擁有更多計算資源的礦工，雖然每次猜的機率相同，但能在單位時間內進行更多嘗試，因此擁有較高機率贏得記帳權。

這樣的設計背後有一個很重要的經濟邏輯：「**用真實的資源消耗來換取參與權，讓破壞系統的成本遠高於獲利。**」

這也正是 PoW 能夠有效對抗惡意攻擊、維持網路誠實的關鍵原因。

## **1.2 具體運作機制：礦工在做什麼？**

在 PoW 系統中，參與記帳的節點被稱為**礦工**（miner）。他們的工作如下：

1. 每當有一批新的交易被打包時，礦工會嘗試建立一個「區塊」。
2. 要讓這個區塊被整個網路接受，礦工必須完成一項計算任務。
3. 這個任務是「找到一個 nonce（隨機數）」，使得整個區塊的內容加上這個 nonce 做 hash 後，結果符合一個很難達到的條件，例如：前面有 15 個 0。
4. 因為沒有捷徑，只能不停地嘗試不同的 nonce，直到有一個人找到符合條件的答案。
5. 找到答案的人會把這個區塊發佈到全網，其它節點快速驗證（因為驗證 hash 很快），一旦確認有效，就接在上一個區塊後面，成為最新的區塊。
6. 該名礦工就會獲得系統獎勵（例如：比特幣 + 交易手續費），作為報酬。

這個過程其實就像一場**公開的猜數字比賽**，每個礦工都是瘋狂地亂猜，只要有人猜對，全網就認定他的答案為真。因為越多礦工參與，猜中的機率越分散，也越安全。

## **1.3 安全性分析：為什麼 PoW 能夠防止作弊？**

PoW 的設計非常聰明，它不是靠「信任誰」來達成共識，而是靠「誰花了最多的努力」。

這裡的「努力」指的是電腦設備的運算力（CPU、GPU、ASIC），也就是所謂的「算力」。而這些運算是耗電、耗時間、耗資源的，所以如果某人想要在區塊鏈上作弊，例如偽造交易、改寫歷史、重播已使用過的幣，他就必須：

- 擁有比全網超過 50% 的算力（這就是所謂的 **51% 攻擊**）；
- 重新計算整條鏈的區塊（從要改的那個區塊開始一直追上現在的鏈）；
- 在此期間比其他所有礦工還快地繼續挖礦並讓「假的鏈」比「真的鏈」還長，才能被網路接受。

這幾乎是不可能的，除非你是國家級的機構，擁有幾萬台礦機、穩定電源與完整基礎設施，並願意花費數億美元來進行攻擊。但這種攻擊一旦發動，比特幣的價格可能會崩盤，你投入的資源也會變成泡影，因此極不符合經濟誘因。

這就是 PoW 的安全基礎：**以高昂的資源成本作為安全保證**。

## **1.4 PoW 的優點與缺點分析**

### **優點：**

1. **安全性強、歷史不可逆**

想改寫過去區塊需要重算大量工作，幾乎無法實現。

2. **完全去中心化**

任何人只要有礦機就能參與，不需要中心授權。

3. **簡單透明**

誰先完成任務誰就贏，規則公開、驗證容易，所有節點都能快速檢查結果。

4. **抗女巫攻擊（Sybil Attack）能力強**

想創一堆假帳號沒用，因為你仍得花真實計算力，無法用虛假身份作弊。

### **缺點：**

1. **能源浪費**

全世界礦工每天進行大量無意義的猜解，只為了搶出塊權，耗電驚人。比特幣整網年耗電量可達小型國家水準。

2. **出塊速度限制**

為了維持穩定（如比特幣平均每 10 分鐘一塊），無法快速擴容。

3. **硬體門檻高、資源中心化**

專業礦機（如 ASIC）已讓一般用戶難以參與，只剩大型礦場、礦池掌握多數算力，產生權力集中化風險。

## **1.5 主要參考資料**

1. Nakamoto, S. (2008). *Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System*.

🔗 https://bitcoin.org/bitcoin.pdf

2. Antonopoulos, A. M. (2017). *Mastering Bitcoin: Unlocking Digital Cryptocurrencies*.

🔗 Chapter 12: Mining and Consensus

🔗 GitHub 開源版本：https://github.com/bitcoinbook/bitcoinbook/blob/develop/ch12_mining.adoc

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# **二、UPoW（Useful Proof of Work）**

## **2.1 概念說明：什麼是 UPoW？**

**UPoW，全名為 Useful Proof of Work（有用的工作量證明）**，是一種試圖改良傳統 PoW（Proof of Work）的共識機制。

PoW 的一個主要批評是：「耗費大量計算資源，卻只是在猜數字，沒產出任何有實質價值的結果。」

UPoW 的提出，就是為了解決這一點。

uPoW 保留了 PoW 的**計算資源付出即產生安全性**的核心理念，但嘗試將這些「運算資源」**轉化為有實際用途的計算成果**，例如：

- 訓練 AI 模型（機器學習）
- 解決科學模擬問題
- 完成數值分析任務

換句話說，**你不是單純為了猜中 hash value 而付出算力，而是在做一件人類社會真正需要的「運算任務」**。只要這個運算結果能被驗證且不能跳過，那它就能當作一種有用的工作證明。

## **2.2 機制講解：UPoW 如何運作？**

UPoW 系統的設計有多種方式，這裡以 Qubic 為主要代表（來自 IOTA 創始人之一的新設計），介紹一種比較完整的實作邏輯：

1. **任務派發：**

系統會從任務池中挑選一個「需要運算」的任務（例如某段神經網路模型的訓練、線性方程組求解等），指定給礦工節點。

2. **礦工計算：**

礦工必須完成這項計算任務，並產出一個結果與對應的「可驗證證明」，這可能是一段可檢查的模型參數、可再現的計算歷程等。

3. **證明提交與驗證：**

結果提交後，其他節點會快速驗證這個計算是否有效、正確，並且是根據規定的輸入來完成的。

4. **共識判定：**

若驗證通過，該礦工即視為完成了一個「有用的工作」，獲得出塊權與區塊獎勵，並加入鏈上。

5. **不可預測性與公平性：**

類似 PoW，這個任務必須不能被提前知道解答，且不能只靠投機捷徑完成，必須實際完成整個工作才有效。

也就是說，U**PoW 不再只是找 nonce，而是完成一個「不可跳過、可驗證、有社會價值的任務」**。

## **2.3 安全性來源：如何防止作弊？**

UPoW 的安全性仍然來自「資源成本」。重點在於：

1. **計算繁重，驗證輕快**：

任務本身需要花費大量時間與算力才能完成（如 PoW），但驗證他人是否完成可以很快做到（如 hash 驗證、ZKP 等）。

2. **不可預測與不可重複使用**：

每次的任務必須是獨特的，不能預先解出，否則就失去競爭性與隨機性。

3. **可驗證性（Verifiability）是核心**：

沒有「可驗證證明」的結果一律不被接受。這保證了網路誠實性，也防止了結果造假。

4. **仍保有機率性**：

雖然不像 PoW 那樣隨機猜 nonce，但由於任務分配與完成速度仍有差異，所以誰先完成，誰就有權出塊，保持了類似的競爭與不確定性。

這使得 UPoW 能兼具「安全性」與「社會意義」。

## **2.4 優點與缺點分析**

**優點：**

- **計算有價值、不浪費資源**：

系統產生的 hash 不再只是為了區塊驗證，而是解決現實世界的問題。

- **潛在社會效益大**：

可將全球礦工的運算資源聚集起來做 AI 訓練、科學研究、金融模擬等任務。

- **延續 PoW 的公開、透明、安全特性**：

不需要依賴身分、資產等主觀標準，仍然是去中心化的。

**缺點：**

- **系統設計更複雜**：

如何保證任務公平分配？如何建立有效驗證機制？比傳統 PoW 難得多。

- **資源碎片化與不均衡問題**：

不同任務的運算需求可能差異極大，會影響節點之間的公平競爭。

- **驗證效率與可信度需依賴特定技術**：

可能需要使用 ZKP（零知識證明）或可信硬體等外部技術才能安全驗證。

- **實作案例仍少**：

uPoW 目前仍是前沿概念，實際落地的區塊鏈不多，尚待觀察成熟性。

## **2.5 原始資料與可信來源**

1. **Qubic 官方文件（Qubic Protocol）**

📎 https://docs.qubic.org/learn/upow/

2. **Qubic Whitepaper（GitHub）**

📎 https://github.com/qubic/core

3. **A novel proof of useful work for a blockchain storing transportation transactions**

📎 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306457321002302

4. **Qubic Performs 51% Monero Network Takeover Demonstration**

[https://qubic.org/blog-detail/historic-takeover-complete-qubic-miners-now-secure-monero-network?utm_source](https://qubic.org/blog-detail/historic-takeover-complete-qubic-miners-now-secure-monero-network?utm_source=chatgpt.com)

## **2.6 Qubic “51% Takeover Demo” 事件分析**

在 2025 年 8 月11日，一場引發社群高度關注的事件發生於區塊鏈世界：一個以 Useful Proof of Work（UPoW）為基礎的專案 Qubic，宣稱在一場實驗性展示中**成功超越了門羅幣（Monero）全網算力**，並透過類似「自私挖礦（selfish mining）」的策略，對 Monero 區塊鏈進行了區塊重組操作。這場展示不僅試圖證明 UPoW 模式的技術潛力，也挑戰了對 PoW 機制安全邊界的認知。

門羅幣（Monero, 簡稱 XMR）是一條歷史悠久且技術特徵鮮明的區塊鏈，它的最大特色是「**完全匿名**」。不同於比特幣那樣公開所有帳戶轉帳紀錄，Monero 使用了環簽名（Ring Signatures）、隱藏地址（Stealth Addresses）和機密交易（Confidential Transactions）等技術，讓轉帳金額與發送人、接收人全部被模糊化。因此，Monero 在隱私幣領域中被視為最高標準，也因此長期是金融監管機構與交易所的焦點之一。

Qubic 在官方部落格中指出，這場 takeover demo 並非攻擊行為，而是一場預先規劃的、可回滾的演示。Qubic 表示其透過「**Selfish Mining**」策略操控區塊產出：先私下挖出區塊不公開，待累積後一次發布，以使其他礦工找到的區塊被 orphan（孤立），進而提高自己區塊鏈的長度與權重。並在短時間內超過 Monero 全網的算力門檻，進而在區塊同步過程中造成多個區塊被孤立（orphan），成功將由 Qubic 所產生的鏈延伸為最長鏈，並被部分節點接受。如果成真，這樣的行為在 PoW 系統中，正是經典的 51% 攻擊場景之一：當一方掌握過半數算力時，即可重寫區塊歷史，甚至雙重支付。

然而，事件引起爭議的並非只是技術操作本身，更在於其背後的**資源與激勵模型**。許多觀察者指出，Qubic 並未長時間穩定控制 Monero 超過 50% 的算力，而是短期內透過高密度集中挖礦，使算力到40–46%來發動 reorganize （**區塊重組**）。Monero 社群中也有聲音質疑此舉是否具有倫理問題，並呼籲應該建立針對這類「演示性攻擊」的共識防衛策略。

儘管事件是否真正構成「51% takeover」仍有爭議，但這場展示提出了一個值得深思的議題：**區塊鏈的安全性，是否僅來自算力的分布，還是更取決於背後的經濟誘因設計？**

UPoW 的理念正是基於這個問題出發：它認為如果我們能將工作量證明的資源消耗，用於實際有用的任務（例如 AI 訓練、資料推論），那麼礦工參與共識的誘因可以更正向、更可持續，也不必為了保護網路而白白浪費電力。而 Qubic 嘗試證明的，就是這樣的設計**不僅理論上可行，甚至足以短暫「征服」現存的成熟主鏈**。

這起事件目前仍在社群與學術界中持續被分析與辯論。但無論結果如何，它已經清楚地傳達出一個訊號：共識機制的創新，不再只是算法的競爭，更是一場資源動員與激勵結構的較量。

**補充：Selfish Mining 是怎麼「累積區塊」的？**

**PoW 區塊鏈是「競賽型」：**所有礦工都在試著**延續目前最長的區塊鏈**（也就是擁有最多工作量的鏈）。當有多條鏈同時存在時，**所有節點最終會接受那條最長的鏈**，其他的都會變成孤塊（orphan block）。**區塊是可以「私下保留」的：**礦工挖出一個新區塊，不一定要立刻廣播。如果他有信心可以再快一步挖出下一個區塊，他可以選擇不公開，自己繼續延伸那個尚未廣播的私有鏈。這就是 **Selfish Mining** 的開端。

**步驟如下：**

1. **礦工 A 成功挖出一個區塊 A1**（在區塊 N 之後），但不廣播，自己偷偷保留。
2. **他繼續挖 A2（A1 的下一個區塊）**，若在其他人挖出 N+1 區塊前又搶先挖出 A2，那現在他手上就有一條私有鏈：N → A1 → A2。
3. 這時其他礦工可能才剛挖出 N → B1（他們沒看到 A1）。
4. 礦工 A 馬上公佈 A1 和 A2，這條私有鏈長度為 2，其他人的是 1。
5. 網路會選擇 A 的鏈為主鏈，B1 變成孤塊（orphan block）。

這樣，A 就獲得了兩個區塊的獎勵，而且「浪費」了其他人的算力。

Chart of Monero network reorganization after Selfish Mining:


圖源：https://hackernoon.com/qubic-overtakes-moneros-hash-rate-in-51percent-takeover-demo-showcasing-real-world-power-of-useful-pow

• Ittay Eyal and Emin G¨un Sirer 在 2014 年發表的經典論文〈Majority is not Enough〉中提出了 Selfish Mining 演算法與影響分析。
https://www.cs.cornell.edu/~ie53/publications/btcProcFC.pdf

[ **Selfish Mining** 與 **51% 攻擊** ](https://www.notion.so/Selfish-Mining-51-2589a889d5de8029b70cd070559d2b4c?pvs=21)

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# 三、**Proof of Stake（PoS）**

## 3.1 **概念說明：什麼是 Proof of Stake？**

**Proof of Stake（簡稱 PoS）** 是區塊鏈中繼 PoW 之後最廣為使用的一種共識機制，其核心理念在於：**不再透過計算力來決定誰有權利出塊，而是改由「誰質押了更多代幣」來決定。**

換句話說，在 PoS 中，節點不需要拼命猜 hash 值或投入大量算力；他們只需要將手中持有的代幣「鎖定（stake）」在鏈上，作為一種「抵押品」，來換取參與出塊與驗證的資格。

這樣的設計目的是：

- 大幅降低能源消耗（不需要礦機）；
- 鼓勵長期持有者參與治理；
- 並以「破壞自己抵押代幣」作為懲罰機制，抑制惡意行為。

以太坊在 2022 年的「合併（The Merge）」之後正式從 PoW 轉向 PoS，這被視為整個區塊鏈發展史上的重大轉捩點。

## 3.2 **機制講解：PoS 如何運作？**

PoS 系統的運作方式因實作不同而略有差異（如 Ethereum、Polkadot、Cosmos 都有各自的 PoS 版本），但其核心邏輯共通，基本流程如下：

**1. 質押（Staking）**

用戶將手中的代幣「質押」到區塊鏈上，這些代幣會被鎖定，不能自由轉移。每個質押者因此成為一個「驗證者候選人」。

**2. 節點選舉（Validator Selection）**

區塊鏈會根據質押的代幣數量、隨機因子與其他條件，從這些候選人中選出下一個區塊的產出者，或是一組參與者來達成共識。

- **質押越多，越容易被選中**。
- 但不能完全靠錢堆積決定，所以通常會搭配隨機數、輪替等演算法（例如 Ethereum 使用 RANDAO + committee voting）。

**3. 出塊與簽名（Block Proposal & Attestation）**

被選中的節點會提出一個新區塊，並由其他參與者進行投票確認（簽名）。一旦超過共識門檻，區塊就被加入區塊鏈。

**4. 獎勵與懲罰**

- 誠實參與者會獲得區塊獎勵（通常來自新增代幣與手續費）；
- 惡意行為者（如雙花、離線、亂投票）則會被**懲罰（slashing）**，部分或全部質押代幣被燒毀。

這個「懲罰機制」是 PoS 中非常關鍵的一環，因為它用經濟風險來保障網路安全。

## **3.3 安全性來源：沒有礦機，靠什麼保護網路？**

PoS 的安全性不再來自於「計算成本」或「電力資源」，而是來自於**經濟懲罰與誘因結構的設計**。核心邏輯是：「你手上綁的錢越多，你越不可能做出損害整個網路的行為，因為你自己也會受害。」

具體來說：

1. **行為可追溯、代幣可懲罰**

每個驗證節點的行為都能被鏈上記錄，一旦發現惡意操作，其質押資產可立即被懲罰。

2. **抵押即責任**

節點若想攻擊網路，必須願意冒著損失大量代幣的風險。這等同於金融擔保：你破壞共識，就要自斷經脈。

3. **無需超過 50% 資源才能攻擊，但攻擊成本會非常高**

雖然 PoS 沒有像 PoW 那樣的 51% 概念，但想要長期主導共識，通常要掌握**超過 2/3 的有效質押資金**，而這會讓市場價格、社群信任與抵押價值全面崩潰，不符合攻擊者利益。

## 3.4 **PoS 的優點與缺點分析**

**優點：**

- **能源效率極高**：不需算力競爭，運行節點可以只是一台普通伺服器，減少碳排。
- **參與門檻低**：不需要購買 ASIC 礦機，只要持有代幣即可參與。
- **激勵長期持幣與治理參與**：鼓勵代幣持有者主動參與共識與社群發展。
- **系統設計靈活**：容易與治理、投票、區塊時間調度結合。

**缺點：**

- **初期分配問題**：早期持幣者可透過質押繼續壟斷共識權力，造成「富者愈富」效應。
- **重放攻擊風險（Long Range Attack）**：如果某人曾經持有大量代幣但現在已賣出，他仍有可能重放歷史區塊，因為PoS 的簽名是可重播的，只要你曾經參與過，就可能利用舊的金鑰重新「虛構一段歷史」，誘騙其他節點進入錯誤的分支**。**須靠檢查點（checkpoint）與「最終性（finality）」機制防範。
- **安全性更依賴治理機制與 slashing 設計**：不像 PoW 依賴物理資源，PoS 的攻擊與防禦全建構在經濟模型之上。

## **3.5 主要參考資料**

1. **Ethereum 官方文件：PoS 共識介紹**

📎 https://ethereum.org/en/roadmap/merge/

2. **Vitalik Buterin 部落格：Why Proof of Stake**

📎 https://vitalik.eth.limo/general/2020/11/06/pos2020.html

3. **Ethereum slashing mechanism（懲罰制度）說明**

📎 https://eth2book.info/latest/part2/incentives/slashing/

4. **Live Ethereum Beacon Chain explorer（驗證者出塊與質押狀況）**

📎https://beaconcha.in/

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# 四、**Delegated Proof of Stake（DPoS）**

## 4.1 **概念說明：什麼是 DPoS？**

**Delegated Proof of Stake（DPoS）** 是由加密貨幣早期開發者 Daniel Larimer 在 2014 年首次提出的共識機制，最初應用於 BitShares，之後被 EOS、TRON、Steem 等公鏈採用。它是在 PoS（Proof of Stake）基礎上進一步演化的版本，目的在於提升效率與可擴展性。

DPoS 的核心思想是：將區塊出塊與驗證權限「委託」給少數代表（delegates），由代幣持有者投票選出這些代表，形成一套高效的區塊生產制度。

也就是說，DPoS 將原本 PoS 的「每個質押者都有機會出塊」，改成「少數代表出塊，所有人投票選出誰可以當代表」。

DPoS 是一種**將權力委託給少數代表來提升共識效率**的機制，它在區塊鏈中非常實用，尤其在需要高 TPS、強治理彈性的大型應用鏈中。但與效率提升一起到來的，是治理中心化風險與社群冷漠問題。DPoS 的成敗，很大程度取決於設計是否能**平衡效率與參與性、激勵與問責、委託與去中心化**這些張力。

## 4.2 **運作機制：DPoS 如何改變出塊方式？**

DPoS 的流程包含以下幾個環節：

**1. 投票選出代表節點（Witness / Validator）**

- 所有持幣者都有投票權（1 幣 1 票或可疊加投票）。
- 他們定期選出固定數量的代表節點（通常 21～101 個）作為出塊者。
- 節點會輪流依順序產生區塊，若某個代表表現不佳（例如失聯、作惡），可以隨時被投票淘汰。

**2. 代表出塊、簽名**

- 一旦被選為代表節點，你就可以輪流參與區塊生產。
- 區塊順序和出塊間隔通常是預定義好的，類似工會排班制度。

**3. 獎勵與責任**

- 出塊成功可獲得代幣獎勵；
- 若節點離線或濫用權力（如雙簽、審查交易），可能被投票罷免或取消質押獎勵；
- 多數 DPoS 系統會設有治理投票機制，讓社群可對代表行為進行監督。

## **4.3 安全性來源：DPoS 的信任基礎是什麼？**

DPoS 的安全性**不是來自資源消耗（如 PoW），也不完全依賴個人質押資金（如 PoS）**，而是：

1. **社群投票選出的節點需對選民負責**

被選出代表者是「受託人」，他們行為透明、公開，若失職可被社群罷免。

2. **有限節點數 + 高頻檢查**

區塊由固定節點輪流生產，出塊速度快，且可追溯，方便追查與修正。

3. **結合治理機制的懲罰制度**

許多 DPoS 公鏈會搭配 slashing、抵押懲罰、仲裁系統，防止代表濫權或審查。

但與 PoW / PoS 相比，DPoS 也更仰賴「社群理性與投票參與度」。如果多數人對治理冷漠，節點就可能形成壟斷，反而危及去中心化安全。

## 4.4 **優點與缺點分析**

**優點：**

- **極高效率與吞吐量**

節點數目固定、出塊順序明確，能實現 1 秒級別出塊與千 TPS 等級的交易速度（EOS 為代表）。

- **實施治理與升級彈性大**

可透過投票更換節點、升級協議、決定鏈上參數，靈活應對社群需求。

- **節能、參與門檻低**

不需礦機，只要持幣就能投票參與共識或委託投票代理。

**缺點：**

- **去中心化程度低於 PoW / PoS**

出塊節點數目固定（如 EOS 只有 21 個），容易形成節點壟斷，與財團勾結、投票回扣問題。

- **投票冷漠問題**

多數代幣持有者不主動參與投票，導致代表節點穩坐不動，反而形成中心化權力。

- **治理激勵設計複雜**

如何防止賄選、如何建立透明問責制度，是 DPoS 中最具挑戰性的部分。

## 4.5 **主要參考資料**

1. **Daniel Larimer 最早提出的 DPoS 設計（BitShares）**

📎 https://bitshares.org/delegated-proof-of-stake-consensus/

2. **EOS DPoS 機制白皮書與說明**

📎 https://github.com/EOSIO/Documentation/blob/master/zh-CN/TechnicalWhitePaper.md

3. **DPoS 實作與投票規則**

📎 https://steemit.com/cnprogramming/@cifer/dpos

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# 五、**Proof of Personhood（PoP）**

## **5.1 概念說明：什麼是 Proof of Personhood？**

**Proof of Personhood（PoP）** 的核心理念是：讓「每一個真實的人」在共識中佔有一票的資格，而不是讓算力（PoW）或金錢（PoS）主導共識權力。

這種機制試圖解決一個深層問題：在真正去中心化的區塊鏈世界裡，難道只有有錢人或有硬體資源的人才有發聲權嗎？

而PoP 提出一個新的視角：如果我們可以驗證「這是一個獨立的、唯一的、真實存在的人」，那麼我們就能設計一種更公平的共識架構，

**每個人都有參與的資格，但無法複製自己或作弊製造身分。**

這樣的設計特別適合像是：

- 公平投票系統（1 人 1 票）、
- 去中心化身份系統（DID）、
- DAO（去中心化組織）中的治理設計。

Gavin Wood 在 2023 年提出的 JAM 灰皮書（Join-Accumulate Machine）中，更明確提出「**需要一種 PoP 層級的機制來對抗女巫攻擊（Sybil Attack）**」，因為 PoW 與 PoS 雖然有效，但都可能因資源壟斷而失衡。

## **5.2 PoP 如何運作？（設計理念而非單一算法）**

PoP 並沒有一個固定的技術實作，它是一種「共識參與資格機制」的設計方向，目前主要分為兩大類思路：

### **類型一：現場驗證式（Physical Ceremony Based）**

這種方式強調「實體人類」必須親自出現、面對面驗證、不能代替。

1. **BrightID**：利用社交網路進行真人推薦，建立「可信人際網」

BrightID 建立在 **Web of Trust**（信任網絡）的模型上：使用者透過與現有經驗證的「朋友或親人」形成「真實關係連結」，以此建立可信度。

驗證流程大致如下：

1. 你下載 BrightID app，創造獨一帳戶。
2. 加入一個或多個你信任的群組（groups），都得是你認識的真人。
3. 若群組內的人已被驗證，他們將成為你的「verifier」。
4. 這些連結會建立你的社交網絡圈，基於彼此認識的強度與多樣性，系統判斷你的身份真實性。

優點是不使用生物識別，BrightID 並不蒐集指紋、臉部資料等敏感資訊，完全依賴社交關係與線下辨認，避免隱私風險、AI造假等問題。也可用於防駭防濫用，這種方式特別適合防止 fake account 濫用、Sybil 攻擊，也用在 Gitcoin Grants、CLR.fund 的 Quadratic Voting 模型中。

1. **Idena**：**全球同步的「Flip** （**圖像智能辨識測驗）」驗證人類存在**

Idena 是首個將 Proof of Personhood 作為區塊鏈共識基礎的高實驗性設計者。其特色是在全網節點中實施定時驗證，確保每個身份背後都是真人存在。

Idena 定期舉行 **Validation Ceremony**（驗證儀式）：所有參與者需在同一時刻登入並完成一系列 **FLIP 測驗**。這些測驗是反向圖靈測試（Reverse Turing Test），通常是兩組圖片，其中一組有意義（講故事）、另一組是hash排列，使用者需迅速辨識並回答。

為何能驗證身份真實性？因為**人類能快速理解圖像排列背後的故事邏輯，而 AI 很難在短時間自動完成**。外加**同步限制**：所有參與者在全球同一時間完成，避免「一人多號」重複參加。

通過驗證後，帳戶獲得「human 驗證者」身份，可參與出塊、治理，且每次驗證只在短期內有效，需在下一輪繼續參與驗證才能保留地位。
然而，曾有Rooting 出現「puppeteers（傀儡主）」現象：少數集團可能控制大量帳戶，以補助或誘因串通其他人參與驗證，扭曲一人一票的設計理念。

1. **Proof of Humanity**：參與者上傳影片＋KYC資料，並由其他人審核驗證，建立唯一身份。

這類型驗證方式的特色是：

- 抗假帳號能力強；
- 去中心化參與；
- 但規模化困難、驗證流程繁瑣。

### **類型二：生物識別式（Biometric-Based）**

這種方式依賴生物特徵（如虹膜、指紋、人臉）來確保「一人一身份」。

最知名的例子是：

- **Worldcoin（Sam Altman 發起）**：用虹膜掃描裝置（Orb）建立一個全球唯一的人類證明資料庫。算是 PoP + PoID 混合機制，靠近 PoID 光譜。

特色是：

- 身份唯一性強；
- 技術辨識率高；
- 但容易引發隱私疑慮、依賴中心化硬體設施。

[**PoID（Proof of Identity）** 與 **PoP（Proof of Personhood）** 的差異](https://www.notion.so/PoID-Proof-of-Identity-PoP-Proof-of-Personhood-2589a889d5de80c5bf46f53647215e57?pvs=21)

## **5.3 安全性來源：不是用資源，而是用「唯一性」**

PoP 的安全性並不是來自算力或質押代幣，而是來自：

1. **不可複製的人類身份**：每個人只能註冊一次，無法分身或創造無限帳號；
2. **行為證明與參與頻率**：有些系統要求週期性出席、互相推薦或做任務，增加防偽難度；
3. **社群驗證與聲譽建構**：使用鏈上行為、投票紀錄與貢獻來補強身份的真實性與信任度。

簡單來說：PoP 的核心安全假設是：**人類是稀缺且不可複製的資源**

這也正是它可以對抗女巫攻擊的原因：就算你有一千個錢包，也只能有一個人類身份。

## **5.4 優缺點分析**

**優點：**

- **高度公平**：資源多寡不影響參與權，符合民主精神；
- **抗女巫攻擊**：最適合 1 人 1 票的應用場景，如 DAO、去中心化投票；
- **不依賴硬體與金錢**：降低參與門檻。

**缺點：**

- **可擴展性差**：真人驗證或生物辨識流程不容易規模化；
- **中心化風險**：有些系統仍需信任特定硬體、設備或驗證者；
- **隱私爭議**：生物資訊可能被濫用或與政府監控掛鉤；
- **尚未成熟**：目前仍多為實驗性設計，缺乏大規模部署案例。

## **5.5 參考資料與延伸閱讀**

1. **Gavin Wood – JAM Graypaper（2023）**

📎 https://graypaper.com/

Chapter2：「A secure means of determining uniqueness for consensus participation must be developed—what we term ‘Proof of Personhood’.」

2. **BrightID 官方網站**

📎 https://www.brightid.org/

3. **Idena Protocol（共識為 PoW + PoP 混合）**

📎 https://www.idena.io/zh

📎 https://stanford-jblp.pubpub.org/pub/compressed-to-0-proof-personhood/release/5

4. **Worldcoin 白皮書與技術概覽**

📎 https://whitepaper.world.org/?_gl=1*1cy8dyp*_gcl_au*MTUxOTQyMTI1Mi4xNzU1OTYyNzUz

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# **六、Proof of Elapsed Time（PoET）**

## **6.1 概念說明：什麼是 PoET？**

Proof of Elapsed Time（簡稱 PoET），是由 Intel 在 2016 年提出的一種共識機制，主要應用於**permissioned 區塊鏈：只允許特定參與者加入與操作的區塊鏈系統**，例如 Hyperledger Sawtooth。它的核心理念是，以一場**公平的「等待時間」抽籤**來選出下一位出塊者，取代 PoW 的資源消耗競賽或 PoS 的質押參與模式。

其設計意圖在於實現「公平選擇出塊者」且不浪費電力，而核心技術基礎是依賴 Intel 的 **TEE（Trusted Execution Environment）**，如 **SGX（Software Guard Extensions）**，用來確保等待時間是隨機且不可操控的 。

TEE 是電腦中的「安全區域」，讓某些應用程式在**硬體隔離**的空間中執行，防止作業系統、病毒或駭客竄改程式或資料。這個區域保護資料機密性與程式完整性。Intel SGX 是 Intel CPU 提供的一項功能，允許開發者把某些程式碼與資料放進 enclave （執行區域）中執行。

在 PoET 中，**每個節點會在自己的 CPU 中建立一個 enclave**，執行出塊候選程式，抽取等待時間並計時，然後輸出一份由 TEE 簽署的「我有合法等待」的證明。

Proof of Elapsed Time（PoET）是一種專為許可式區塊鏈設計的共識機制，它突破傳統 PoW 與 PoS 所需資源的限制，以**隨機等待時間 + 硬體信賴**的方式選出區塊產出者。這種設計在企業級、節能需求高的場景中具有極佳潛力，但其對 TEE 的依賴也帶來中心化與安全風險。PoET 不是通往完全去中心化的共識路徑，而是一條注重效率與運營成本的折衷方案。

## **6.2 運作流程：PoET 是怎麼選出區塊產出者的？**

1. 節點加入網路並取得 SGX 環境授權

每個節點在加入區塊鏈網路時，會載入 Intel 官方提供的 SGX 程式碼。這段程式碼會先透過 Intel 的 **attestation（認證）伺服器**驗證：「你是真的在使用合法的 SGX 硬體嗎？」以防模擬器偽造。

2. **節點在 SGX 內部抽籤等待時間**
一旦啟動出塊候選程序，SGX 會「隨機」產生一段等待時間（wait time）（例如：7.35 秒、10.92 秒）。這個等待時間不能提前知道，也無法更改，是由 SGX 在 enclave 內秘密產生的。注意：這不是單純抽到需等待時間數字後比較，而是你**必須真的等那麼久。**
3. **節點進入睡眠，SGX 內部開始計時**
節點進入休眠，直到等待時間結束。這段期間 SGX 持續「記錄」時間流逝。當時間到，SGX 會產出一份簽名證明（Attestation Report）：「我真的在 enclave 裡面等了 7.35 秒，證明我沒作弊，請大家驗證我。」。
4. **誰最先完成等待誰出塊**
所有節點都各自等待自己 SGX 指定的時間。最早等完的節點，會將這份「等待完成證明」和新的區塊一起 broadcast（廣播）出去。其他節點驗證這份 attestation，確認該節點是「合法等待者」並且區塊資料正確，便接受它為新的區塊。

Epoch 12345 開始
├─ Node A → SGX 抽到 6.3 秒 → 睡著計時中...
├─ Node B → SGX 抽到 9.7 秒 → 睡著計時中...
├─ Node C → SGX 抽到 5.1 秒 → 先醒來 → 出塊＋提交證明
              ↓
        其他節點驗證 SGX 證明 → 接受區塊 → 下一輪

## **6.3 安全性與公平性基礎**

- **公平性由隨機等待機制保障**，每個節點都有相同中選機會，不需算力或資金優勢 。
- **節能設計**，節點處於「睡眠」狀態無大量運算，節省能源消耗 。
- **安全性依賴硬體可信平台**：TEE 提供安全執行與簽名保證，避免節點操控等待時間 。

## **6.4 適用情境、優勢與缺點**

### **適用場景**

PoET 通常部署在企業或聯盟型區塊鏈中（如 Hyperledger Sawtooth），適合交易量高、節能需求強的環境 。

**優勢**

- **能源效率高**，節點不需算力競賽，適合節能目標。
- **公平選舉出塊者**，減少資源壟斷情況。
- **可擴展性與效能提升**，適合企業環境快速共識 。

**缺點**

- **需要依賴可信硬體（如 Intel SGX）**，造成中心化與技術依賴風險 。而且不是每台機器都支援 SGX，甚至新硬體設施（例如：GPU）還不支援。
- **需要 Intel 官方簽章與 SDK 支援，**不能自己模擬，要真實晶片才能出具可信證明。
- **驗證困難**：社群難以驗證 enclave 內部到底跑了什麼，只能相信 Intel。
- **適用於 permissioned 網路**，不適合完全開放、去中心化系統 。
- **若 TEE 被攻破，整個共識機制可能失效** 。

## **6.5 主要參考來源**

1. Investopedia：PoET 的基本定義與流程

📎 https://www.investopedia.com/terms/p/proof-elapsed-time-cryptocurrency.asp

1. GeeksforGeeks 詳解 PoET 機制與 TEE 依賴

📎 https://www.geeksforgeeks.org/computer-networks/proof-of-elapsed-time-poet-in-blockchain/

1. **WazirX 教學 – PoET 怎麼運作、優缺點與應用場景**

📎 https://wazirx.com/blog/proof-of-elapsed-time-poet/

1. **Medium（Kynan Rilee）– Hyperledger Sawtooth 中 PoET 的運作方式**

📎 https://medium.com/kokster/understanding-hyperledger-sawtooth-proof-of-elapsed-time-e0c303577ec1

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# 七、**PoA（Proof of Authority）**

## 7.1 **概念說明：什麼是 PoA？**

**PoA（Proof of Authority）** 是一種**基於身份可信任的共識機制**，與 PoW 或 PoS 那種依靠資源競爭的設計完全不同。它的核心思想是：**只有經過認證的特定節點（稱為 validator 或 authority）可以出塊與驗證交易**。

這種方式特別適合 **私有鏈（private blockchain）或許可式鏈（permissioned blockchain）**，例如企業內部使用或政府協作平台。

## 7.2 PoA**機制與運作流程**

在 PoA 模型下：

- **參與者無法自由加入成為節點**，必須由現有權威節點認可，或由初始設計定下來。
- 每一個 validator 的「真實身份」通常是已知的，並與現實世界法律責任綁定。
- 出塊者輪流依照預定順序或算法產生區塊，類似於投票或委任機制。
- 若 validator 行為惡意或故障，社群或管理方可以撤銷其出塊資格。

這種設計減少了競爭與能源消耗，換取的是信任與治理機制的強化。

## 7.3 PoA **安全性設計**

PoA 的安全性不是來自於算力或資金，而是來自於「**validator 的聲譽與法律責任**」。因為 validator 是公開的實名實體，若惡意作為會被社群揭露甚至追訴法律責任，因此他們有強烈動機保持誠信。

此外，PoA 系統多數會搭配**多數共識與懲罰機制**，例如需要超過 2/3 的 validator 一致同意才能更新帳本，確保不會被單一節點操控。

## 7.4 優缺點分析與**實際應用案例**

**優點**

- **高效能**：不需要大量計算與隨機等待，交易速度快、出塊間隔穩定。
- **節能省資源**：適合對電力與資源敏感的應用場景。
- **高度可控**：適合政府、企業或組織內部的區塊鏈架構。

**缺點**

- **中心化風險高**：由少數 validator 控制整條鏈，去中心化程度極低。
- **審查與黑名單問題**：validator 有能力過濾、審查交易或地址。
- **依賴信任機制**：完全信賴 validator 的誠信，無法用演算法驗證誠實性。

**實際應用案例**

- **VeChain**：供應鏈管理區塊鏈，採用 PoA，適合企業控制與資料驗證。
- **Ethereum Kovan 測試網**（早期）：採 PoA 作為低風險測試環境。
- **Microsoft Azure Blockchain Service**：企業級鏈服務，支援基於 PoA 的部署。

## 7.5 主要**參考資料**

1. Ethereum GitHub: [Clique PoA engine](https://github.com/ethereum/EIPs/issues/225)

https://github.com/ethereum/EIPs/issues/225

2. VeChain Docs: https://docs.vechain.org/introduction-to-vechain/about-the-vechain-blockchain/consensus-deep-dive

https://www.vechain.org/assets/whitepaper/whitepaper-1-0.pdf

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# 八、**Proof of Activity（PoA）**

## 8.1 **概念說明：什麼是 PoA？**

**Proof of Activity** 是一種結合 **PoW（Proof of Work）** 和 **PoS（Proof of Stake）** 的混合型共識機制。它的核心理念是：**先由 PoW 負責隨機產生候選區塊框架，再由 PoS 節點來完成區塊驗證與最終出塊**，達成兼具安全與節能的目的。PoA（Proof of Activity）最早於 2014 年由 Iddo Bentov 等學者提出，旨在解決 PoW 過於耗能、PoS 太過依賴資本的問題，提出一種中間解法。

## 8.2 PoA**機制與運作流程**

Proof of Activity 的區塊生產過程分為兩階段：

1. **挖礦階段（PoW）**：
- 與比特幣相似，礦工先使用 PoW 算力來解出一個「空的區塊框架」
**（Empty Block Template / Empty Block Header）：**一個 **尚未包含交易內容**、但已包含區塊基本結構（如區塊頭 header）的區塊。區塊中不包含實際交易資料，但包含隨機挑選的驗證者清單。空區塊框架所含資訊如下：
- Previous Block Hash：前一區塊的 hash
- Timestamp：產生時間
- Nonce：挖礦用的隨機值（猜數字）
- Merkle Root：目前為空，因為還沒加交易
- Validator Selection List：**這是 PoA 特有的欄位**，表示該區塊會由哪幾位持幣人來簽名驗證（PoS 階段）
2. **驗證階段（PoS）**：
- 被選中的持幣者（stakeholders）根據其持幣量與權重，對這個空框架進行簽名認可。
- 當足夠多（如 >50%）的簽名達成後，該區塊才會被填入交易並正式寫入區塊鏈。

這種設計減少了算力攻擊的風險，也讓持幣者有實際參與共識的機會。

## **8.3 安全性與特點**

- **兼顧 PoW 的隨機性**（難以預測誰先挖到區塊）與
- **PoS 的資本約束**（持幣多者需要誠實行為以保價值）

此外，PoA 也可減少 PoW 過度依賴能源的問題。

## 8.4 優缺點分析與**實際應用案例**

**優點**

- 避免純 PoW 的能源浪費。
- 結合持幣者的共識參與，有治理彈性。
- 比純 PoS 多了一層出塊隨機性，抵禦部分攻擊。

**缺點**

- 設計與實作較為複雜。
- 仍需維持 PoW 階段的硬體與電力支出。
- PoS 部分仍可能有富者恆富問題。

**實際應用**

- **Decred (DCR)**：是最知名採用 Proof of Activity 的區塊鏈專案之一。
- 其他實驗性區塊鏈也曾引用此設計作為 PoW/PoS 混合方案。

**名稱辨別提醒**

| **縮寫** | **全名** | **核心依據** | **適用場景** |
| --- | --- | --- | --- |
| PoA | **Proof of Authority** | 實名節點信任 | 私有鏈、企業鏈 |
| PoA | **Proof of Activity** | PoW + PoS 結合 | 公鏈、實驗鏈 |

## **8.5 主要參考資料**

- [Investopedia 解釋 Proof of Activity](https://www.investopedia.com/terms/p/proof-activity-cryptocurrency.asp)

https://www.investopedia.com/terms/p/proof-activity-cryptocurrency.asp

- 原始論文（2014）：“Proof of Activity: Extending Bitcoin’s Proof of Work via Proof of Stake” – [PDF](https://eprint.iacr.org/2014/452.pdf)
- [Decred Docs](https://docs.decred.org/)：Decred 的 PoA 共識設計

https://docs.decred.org/

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# 九、**Proof of History（PoH）**

## 9.1 **什麼是 Proof of History（PoH）？**

在傳統區塊鏈中，**最大難題之一就是「時間」**：

不同節點可能位於世界各地，無法信任彼此所聲稱的「交易先後順序」或「區塊產生時間」。這導致區塊鏈系統需要額外透過共識機制（例如 PoW 或 PoS）來 **決定區塊順序與排序交易**，但也拖慢了整體運作效率。

**Proof of History（PoH）** 是 Solana 首創的一套機制，並非傳統意義上的共識機制，而是一種「去中心化時鐘」的設計，解決區塊鏈中時間序列與交易排序的信任問題。**PoH 解決的是「如何信任地記錄事件發生的順序」，不靠第三方、不需同步時鐘，也不需等待全網達成共識後再排序。**換句話說，PoH 是一種內建「**加密時間戳機制**」的設計，能讓每一筆交易與每一個事件，都被寫在一條 **可驗證、不可逆的時間軸** 上。這讓交易在尚未進入區塊之前，就已具備可信任的時間先後順序。PoH 並**不決定誰有權出塊，也不處理分叉問題或投票問題**。它的角色是提供一個「**可信任的全網時間軸**」，讓共識過程變得更快、更容易。

它的核心技術基礎是 **Verifiable Delay Function（VDF）（可驗證延遲函數）**，這是一種不可快速跳過的延遲計算函數，無法被並行加速，卻能快速驗證正確性 。VDF 提供了一種「內建時間概念」的機制，不仰賴外部信源，就能在鏈上確保事件的順序與延遲。

### **9.1.1 技術核心：使用 Verifiable Delay Function（VDF）**

PoH 的技術核心是一種特殊函數叫做 **Verifiable Delay Function（可驗證延遲函數）**。它的特性是：

1. **延遲性（Delay）**：函數的設計要求計算過程需執行一連串**無法並行加速的步驟**，即使你擁有大量算力也無法跳過，代表你必須花費真實時間。
2. **唯一性（Uniqueness）**：每一個輸入只會對應一個正確的輸出，這使得它無法偽造或作弊。
3. **可驗證性（Verifiability）**：一旦輸出產生，任何人都能用極低成本驗證其正確性，不需重做全部運算。

PoH 就是持續執行這樣的 VDF，每一次運算的輸出都成為下一次的輸入，並將這些結果記錄下來，形成一條 **時間鏈（Time Chain）**。

VDF在學術論文中，VDF 包含三個主要演算法：Setup、Eval、Verify。

- **Setup(λ, T) → pp**

生成公參數 pp，包含安全參數 λ 和時間延遲設定 T（步數）。

- **Eval(pp, x) → (y, π)**

計算者從輸入 x（例如前一 hash），連續運算 T 步得到輸出 y，並生成證明 π。

- **Verify(pp, x, y, π) → {accept, reject}**

驗證者利用 π 可快速確認 y 是否為正確流程推導自 x。

**VDF 的三大安全要特性**

1. **Sequentiality（序列性）**
- Eval 必須**無法有效平行化**。
- 意即即使使用多核心或分散式運算，也無法比單線程顯著加速。
2. **Efficient Verification（高效驗證）**
- Verify() 運算複雜度應遠低於 Eval()。
- 多數構造可將驗證成本壓縮至 O(log T) 或更低。
3. **Uniqueness（唯一性）**
- 任一 x 僅有唯一合法的 y 可通過驗證，防止偽造或雙重計算。

**鏈式 VDF 的遞迴示意**
這是 VDF 最經典的應用模型之一，透過將每一輪輸出作為下一輪輸入，產生一個無法逆推、不可預測、唯一的**時序雜湊鏈**（time-chain）：

x₀ = seed                ← 初始隨機種子
x₁ = VDF(x₀)
x₂ = VDF(x₁)
x₃ = VDF(x₂)
...
xₙ = VDF(xₙ₋₁)

這種形式就像一個 **可驗證的倒數計時器**。每一個中間狀態都表示一段真實時間已被消耗，無人可以跳過或反向計算。

## 9.2 PoH**機制與運作流程**

PoH（Proof of History）是一種**時間標記機制**，不是獨立的共識演算法，而是作為其他共識機制（如 PoS）的輔助基礎，**為每筆資料提供可驗證的時間順序證明**。其核心是透過 Verifiable Delay Function（VDF）構造一條時間鏈，使所有節點在無需同步時鐘的情況下，**仍能信任每筆交易的先後順序**。

**運作流程步驟（以 Solana 為例）：**

1. **初始化種子（Seed）**
- 系統設置初始輸入 x₀，通常是上一輪 VDF 結果或隨機種子。
2. **連鎖雜湊產生 PoH 時序鏈**

    x₁ = Hash(x₀)
    x₂ = Hash(x₁)
    x₃ = Hash(x₂)
    ...
    xₙ = Hash(xₙ₋₁)

- 每次哈希為一次「時間單位」，不可逆也不可跳過，形成單向鏈。
3. **交易插入點對應特定時間位置**
- 每筆交易都被插入至某個哈希位置（如 x₃）；
- 因為哈希是序列產出，交易自然具備「順序性」。
4. **產生 VDF 證明（若需）**
- 可定期對該序列進行 VDF 證明，供其他節點驗證某區塊高度是否合理。
5. **驗證者快速驗證交易順序**
- 驗證者只需比對該交易出現於哪個 Hash 序列編號，即可驗證其先後與有效性，毋須重算整條鏈。

## 9.3 **安全性與特點**

**時序正確性**

- PoH 保證每次計算步驟的輸出唯一且無法跳過；
- 結合 VDF 的「序列性」特性，**任何節點皆無法偽造早於其他節點的交易時間戳**。

**去時鐘同步化**

- 傳統區塊鏈需節點間保持近似時鐘同步，PoH 消除了這個依賴；
- 每個 PoH 序列就是一個**本地時間證明系統**，跨節點仍可信。

**高可驗證性**

- PoH 產出的 Hash 鏈與可選的 VDF 證明，可以快速被其他節點驗證；
- 驗證成本遠低於重新運算整條鏈。

**抗重放與篡改攻擊**

- 一旦序列產出，任一交易或資料若想改動，就需重算後續全部 hash；
- 無法跳過或插入。

## 9.4 優缺點分析與**實際應用案例**

優點

- **時間排序快速且可驗證**：利用 VDF 連續 hash 序列，能為每筆交易打上可驗證時間戳記。
- **提升吞吐量（TPS）**：PoH 可先行排序大量交易，減少共識模組負擔，是 Solana 可達 65,000 TPS 的關鍵。
- **節點同步效率高**：節點不需廣播同步交易時間，只需驗證 hash 序列，減少網路擁塞。
- **提高區塊生成頻率**：每 400ms 即可產一個區塊，大幅縮短確認時間。
- **可與其他共識機制結合**：PoH 並非獨立共識演算法，可與 PoS、BFT 等結構性整合。

**缺點（限制）：**

- **VDF 高度依賴單執行緒序列運算**：無法透過多核心加速計算，硬體壓力大。
- **無法防止雙花與惡意節點**：PoH 只排序，不判斷合法性，需搭配 BFT 共識。
- **需要外部共識模組確認最終性**：PoH 本身不決定哪個區塊是最終有效，需要 BFT 投票機制輔助。
- **節點需要持續高速運作、硬體要求高**：要求高效能 CPU、網路與 SSD（**Solid State Drive**），門檻高。
- **一旦序列錯誤將全鏈混亂**：若排序引擎或 VDF 發生故障，整個鏈的時間線將被破壞。

**實際應用案例：**

- **Solana 區塊鏈**：唯一大規模實裝 PoH 的鏈，搭配 Tower BFT + PoS 共同構成其高頻、高速共識系統。
- **Solana Pay、DeFi 協議、NFT 鑄造平台**：依賴 PoH 快速排序與高 TPS 的能力以支持商業場景。

## 9.5 主要參考資料

- Solana 官方文件：[https://docs.solana.com](https://docs.solana.com/)
- Solana 白皮書（PoH 原始設計）：
- *A High Performance Blockchain* by Yakovenko (2018)
- https://solana.com/solana-whitepaper.pdf
- VDF 原理：
- *Verifiable Delay Functions* – Boneh et al. (2018)
- https://eprint.iacr.org/2018/601.pdf
- Medium 對 PoH 解說文章：
- https://medium.com/solana-labs/proof-of-history-a-clock-for-blockchain-cf47a61a9274

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# **十、PoWeight（Proof of Weight）**

## **10.1 核心概念：什麼是 PoWeight？**

**PoWeight（Proof of Weight）** 是一種依據節點「權重」分配共識影響力的機制。

- 「權重（Weight）」可以根據不同系統設定代表不同東西：
- 在 Filecoin 中，權重 = 儲存貢獻量（storage power）
- 在 Algorand 中，權重 = 持幣量（stake）
- 在某些系統中，權重 = 歷史聲譽、貢獻度或實名驗證後的身份值
- 與 Proof of Stake 類似，但 **PoWeight 更抽象與彈性**，允許根據自定義資源來設定參與者影響力。

其核心邏輯是：「誰貢獻得多，誰擁有更大影響力」

## 10.2 **運作機制舉例**

### **A. Filecoin：儲存導向 PoWeight 共識機制**

Filecoin 採用的是一種叫做 **Expected Consensus** 的 PoWeight 變體，權重來自於節點提供的「有效儲存空間」。

### **Filecoin 出塊步驟（以 Epoch 為單位）：**

1. **每個節點提交自己提供的有效儲存空間量**：
- 所謂「有效儲存」是指通過 Filecoin 的 Proof-of-Replication（PoRep）與 Proof-of-Spacetime（PoSt）驗證的存儲資料。
2. **系統依據每個節點的儲存量分配出塊權重**：
- 儲存空間越大，抽中出塊的機率越高。這稱為「Weighted Leader Election」。
3. **每個節點在每個 Epoch 執行一個 VRF（可驗證隨機函數）**：
- 節點用私鑰針對當前 Epoch 計算 VRF(seed)，若結果小於機率閾值，表示中選可以出塊。
4. **中選者打包交易並提出新區塊**：
- 區塊中包含交易、狀態更新、引用前一區塊等資訊。
5. **其他節點驗證該區塊是否合法**：
- 驗證 VRF、有效儲存聲明、交易簽名與狀態變更，確保一致性。
6. **鏈中最重者勝（Weight = 儲存加權總和）**：
- 若同時產生多條鏈，節點會選擇「累積權重（儲存量 × 區塊數）最大」的鏈作為正統。

**關鍵機制說明：**

- **VRF（Verifiable Random Function）**：
- 用於在加密保證下進行隨機抽籤，不可預測且可驗證。
- **儲存空間=選舉權重**：
- 提供越多有效存儲的節點越容易出塊，實現貢獻者優先原則。

### **B. Algorand：持幣導向 PoWeight 共識機制**

Algorand 使用的是一套 **Pure PoS + Weight-based committee 選舉系統**。每一輪共識會從整體網絡中根據「持幣量」隨機選出代表參與者（committee）來進行投票與區塊產生。

### **Algorand 共識步驟（簡化為兩階段 BA⋆ 協議流程）：**

1. **系統廣播需要進行新一輪共識（例如新區塊高度）**
2. **每個節點根據自己持有的 ALGO 幣量執行 VRF 抽籤**：
- 輸入：共識輪次、私鑰、種子
- 輸出：VRF 結果 + 證明
- 抽中的節點會被選為「committee」的一員，有資格參與該輪共識。
3. **當選節點廣播自己的 VRF 證明與提案/投票內容**：
- 提案者可提出新區塊，其他委員則針對提案進行驗證與投票。
4. **若達到 2/3 多數同意，則進入下一階段**（BA 協議階段）：
- 進行下一輪投票或區塊定案（finalize），直到超過門檻達成最終確認。
5. **所有節點同步更新狀態，進入下一共識輪**。

### **關鍵特色：**

- **權重 = 持幣量**：幣多者中選機率高，但非必然中選。
- **VRF + Committee 設計**：非全網同步計算，降低性能負擔與通訊成本。
- **防範女巫攻擊**：因選舉基於 stake，無法藉由大量假節點操縱共識。

## **10.4 優點與缺點**

**優點：**

- 可以根據應用需求自定「資源即權力」的邏輯，靈活性強
- 支援公平、隨機、安全的節點選擇機制
- 通常與 VRF 結合，有效防範預測與攻擊
- 比 PoW 更節能、比 PoS 更可擴展與多樣化

**缺點：**

- 權重計算邏輯需慎設，否則容易中心化（如巨鯨壟斷）
- 權重變動需穩定管理，否則易受動態操控
- 開發與驗證成本較高（涉及 VRF、安全模組與定期更新）

**應用實例**

- **Filecoin**：以有效儲存空間作為權重，屬於 PoStorage 的 PoWeight 特例。
- **Algorand**：權重為持幣量，實作為 stake-weighted VRF。
- **Avalanche**：多子網架構中，每個子網可自定義權重與出塊者邏輯。
- **Coda（Mina Protocol）**：其 SNARK-based 的參與者也部分基於權重分配任務。

## 10.5 主要參考資料

1. [**Filecoin Whitepaper: A Decentralized Storage Network – Juan Benet et al.**](https://filecoin.io/filecoin.pdf)

https://filecoin.io/filecoin.pdf

2. [**Algorand Whitepaper – Silvio Micali et al.**](https://arxiv.org/abs/1607.01341)

https://arxiv.org/pdf/1607.01341