第13講 | 深入區塊鏈技術（五）：PoS共識機制

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　　上一篇我們講到了PoW共識機制，這一篇我們就來分享另外一種共識機制，PoS共識機制。

　　PoS全稱是Proof of Stake，中文翻譯為權益證明。這一篇我們會將PoS與PoW對比講解，協助你加深理解。

PoS的由來

　　PoS最早出現在點點幣的創始人Sunny King的白皮書中，它的目的就是為瞭解決使用PoW挖礦出現大量資源浪費的問題。PoS共識機制一經提出就引起了廣泛關注，Sunny King 也基於PoW的基礎架構實現了第一代PoS區塊鏈：點點幣。

　　PoW的具體實現有很多版本，但它們大多隻是在挖礦演算法上有所改進，主體邏輯並沒有發生質的變化。PoS包含了多個變種實現，每個變種往往會涉及區塊鏈代幣經濟模型的改動，可以說是牽一髮而動全身。

　　這些實現有點點幣、黑幣、未來幣、瑞迪幣，它們都推動了PoS機制的發展，PoS研究前沿還有以太坊的 Casper ，以及 Cardano 的Ouroboros。

　　那到底是什麼樣的機制導致PoS具有這樣的特性呢？讓我們來看一看。

什麼是PoS？

　　在講PoS之前，我先來講一個叫做幣齡的概念，幣齡這個概念其實很好理解，它的英文是 CoinAge，字面意思就是幣數量乘以天數。

　　比如你有100個幣，在某個地址上9天沒有動，那麼產生的幣齡就是900，如果你把這個地址上這100幣轉移到任意地址，包括你自己的地址，那麼900個幣齡就在轉移過程中被花費了，你的幣數量雖然還是100個，但是幣齡變更為0。幣齡在資料鏈上就可以取到，任何人都可以驗證。

　　我們回過頭來看看PoS究竟是什麼，區塊鏈共識機制的第一步就是隨機篩選一個記賬者，PoW是通過計算能力來獲得記賬權，計算能力越強，獲得記賬權的機率越大。

　　PoS則將此處的計算能力更換為財產證明，就是節點所擁有的幣齡越多，獲得的記賬的機率就越大。這有點像公司的股權結構，股權佔比大的合伙人話語權越重。

　　以上算是簡述了PoS的概念，實際上，PoS的發展經曆了三個版本，第一個版本是以點點幣為代幣的PoS1.0版本，這個版本中使用的是幣齡；第二個版本為代表的是黑幣（blackcoin），它使用的為PoS2.0版本，對應這個版本使用的是幣數量，相當於是財產證明，後面黑幣又升級到PoS3.0，這個版本又回到了幣齡。

　　PoW早在比特幣出現之前就已經應用了，而PoS是才是真正意義上為了區塊鏈而創造出來的概念。

PoS的實現原理

　　好了，現在我們開始講解PoS的具體實現原理吧。這一部分公式較多，如果你在收聽音頻，可以點擊文稿查看。

　　通過上一篇我們知道PoW挖礦的基本邏輯和步驟，我們先尋求一個nonce小於目標值，這一步用公式可表示為：

Hash (block_header) < Target

　　從公式中我們可以看到，PoW下所有礦工的目標值是一樣的，只要計算結果雜湊小於目標值即可，簡化來看就是前置0的個數。

　　而在PoS系統中，這個公式變更為：

Hash (block_header) < Target * CoinAge

　　我們可以看出多引入了一個變數叫做CoinAge，也就是幣齡，這裡就有意思了。

　　這個變數為會造成每個礦工看到的目標值不一樣，如果你的幣齡越大，也就意味著你的獲得答案越容易。這裡的Target與PoW一致，與全網難度成反比，用來控制出塊速度的。

　　例如當前全網的目標是4369，A礦工的輸入的幣齡是15，那麼A礦工的目標值為65535，換算成十六進位就是0xFFFF，完整的雜湊長度假設是8位，也就是0x0000FFFF。

　　而B礦工比較有錢，他輸入的幣齡是240，那麼B礦工的目標值就是0x000FFFFF。你如果仔細觀察肯定會發現，相比A礦工的目標值，B直接少了一個零。即如下：

• A 礦工 Hash( block_header ) < 0x0000FFFF
• B 礦工 Hash( block_header ) < 0x000FFFFF

　　所以B礦工獲得記賬權的機率肯定要比A高。

　　具體程式碼分析這裡就不講解了，這裡需要幣齡作為輸入，如果我們寫範例程式碼也只是一個簡單的參數，PoS需要放到區塊鏈的語境中才能運作。

PoS的相關問題

　　通過上述的介紹我們知道：PoS似乎完美地解決了PoW挖礦資源浪費的問題，甚至還順帶解決了51%攻擊的問題，這裡可以順便講一下51%攻擊是什麼，它是指PoW礦工如果積累了超過51%的算力，則可以一定程度篡改賬本。

　　這裡順便科普一下，什麼是51%攻擊呢，我們發現，礦工挖礦的成本不再是物理裝置和電費，而是虛擬代幣，它的邊際成本幾乎為零，本質上PoS讓挖礦者和使用者合二為一了。

　　這也意味著如果挖礦者發起51%攻擊，就需要擁有全網51%的幣或幣齡，這幾乎不可能辦到，即使你成功地實施了51%攻擊，那麼也意味著作為全網最大的持幣大戶的你，損失也會最大。

　　PoS看起來相當完美，其實並不然，PoS有很多缺陷。

　　PoS遇到的第一個問題就是幣發行的問題。一開始的時候，只有創始區塊上有幣，意味著只有這一個節點可以挖礦，所以讓幣分散出去才能讓整個網路壯大，那麼如何分散出去又是另外一個難題了。

　　所以早期PoS幣種基本都採用了分階段挖礦，有的叫混合挖礦，其實，我並不同意混合挖礦這個說法，混合就意味著同時。很多幣種其實是分了階段的，即第一階段是PoW挖礦，到第二階段才是PoS挖礦。

　　隨著ERC20類型的標準合約代幣的出現，這個問題被解決了，不再需要第一階段改成PoW，也可以將代幣分散出去。

　　第二個問題是由於幣齡是與時間掛鈎的，這也意味著使用者可以無限囤積一定的幣，等過了很久再一次性挖礦發起攻擊；所以解決方案是：PoS機制需要引入一個時間上限來控制時間因素的自然增長。

　　第三個問題是雖然引入了時間上下限，使用者還是傾向於囤積代幣，這會造成幣流通的不充分；基於此，所以瑞迪幣引入了幣齡按時間衰減，構造了權益速度證明，鼓勵使用者流動代幣，而不是傾向於囤積代幣。

　　第四個問題是離線攻擊，即使引入了時間上下限，時間仍然是自然流動的，也就是可以不需要求挖礦節點長時間線上。挖礦是可以離線的，這簡直是災難，所以任意一個PoS機制的實踐形式都必須避免這個問題，因為網路節點數量的多少直接關係到區塊鏈網路的健壯性。

　　當然這些問題都不是致命問題，還記得我們一開始提到了PoS經曆了三個版本，而第二個版本PoS 2.0使用的不是幣齡，而直接是幣的數量。

　　這會造成完全不同的結果，上述第二、三、四問題都不存在了，似乎看起來直接使用幣的數量會更好一些，但卻出現了整個PoS機制的致命問題。

　　這個問題叫做Nothing at Stake，翻譯過來叫做無成本利益問題。大體的意思在PoS系統中做任何事幾乎沒有成本，比如在PoS系統上挖礦幾乎沒有成本，這也就意味著分叉非常方便。

　　方便到什麼程度呢，每個誠實礦工在產生孤塊的時候都可以繼續挖下去，反正也沒什麼成本，反正分叉鏈和主鏈都可以同時挖，也就是任何持幣較少的使用者都可以嘗試分叉，並且把分叉鏈廣播出去。

　　這個時候如果其他誠實礦工看到了，第一反應也是沒有成本，那麼咱們也來挖吧，說不定什麼時候就值錢了，意思就是說任何逐利的礦工並不會使這個系統變得更強壯穩定，而是更加的混亂。

　　無成本利益問題無論以幣齡還是幣數量作為PoS的參數，都無法避免。

　　而PoW則沒有這樣的問題，我們回到PoW系統中來看，因為任何的分叉都會造成挖礦成本直接變成負收益，所以這會抵抗分叉的產生，礦工傾向於跟隨“最長”的鏈。

　　由於以太坊部分採用了PoS共識，它的名字叫做Casper，它必須解決上述無成本利益問題攻擊。所以Casper協議要求PoS礦工需通過抵押保證金的方法對共識結果進行下注，具體實踐結果我們還需要拭目以待。

總結

　　最後我們來總結一下PoS共識機制，PoS的區塊鏈系統無需外部物理輸入，所以它相比PoW更為環保不費電，並且礦工就是使用者，這會在一定程度上抵禦了51%攻擊，所以基於PoS機制的數字貨幣屬於理想狀態的數字貨幣。

　　PoS的缺點是缺乏工業級的區塊鏈應用，從邏輯上來看有點迴圈自證明的味道，就是用自己的幣來維護系統的安全，而幣的安全性是由系統保證的，所以現階段PoS共識機制往往不是獨立啟動並執行，而是混合了PoW一起運行，這就可以彌補PoS的缺陷。

　　PoS共識機制目前也出現了礦池，也可能會出現中心化挖礦的風險。

　　雖然PoS共識機制未來變數依然很多，但它的可塑性比PoW好，技術上的探索空間大，目前PoS幣種相比較PoW幣種風險也較高。

　　那麼有哪些區塊鏈項目使用了PoS共識機制呢？你可以給我留言，我們一起討論，感謝你的收聽，我們下期再見。

第13講 | 深入區塊鏈技術（五）：PoS共識機制