PoS系列

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PoS系列

作者:鲁迪文章来源:哈希未来

众所周知,区块链本质上是一种分布式账本技术。如何使参与记账的多个节点保持总账的一致性是区块链的核心问题之一。不同的公链会采用不同的共识机制来解决这个问题,而现有主流共识机制的共同点是,它们的目标都是随机选择屏蔽者,让他们拥有记账权,屏蔽出去。

我们先来回顾一下PoW是怎么做到的。

以比特币为代表的PoW共识机制利用了哈希函数计算的不可预测性。这种不可预测性要求矿工不断尝试计算来解决给定的数学问题。正确计算的概率是完全随机的,为随机制块提供了很好的保证。同时,每个制块者都要付出大量的计算工作,这也是PoW(工作量证明)这个名字的由来。然而,随着越来越多的计算能力参与到采矿中,挖掘出新区块所需的计算能力也越来越高,其昂贵的采矿设备和大量的电力消耗也经常被人诟病。而且为了收回硬件和电力成本,矿工通常会将挖掘出来的比特币立即在交易所出售,这使得矿工和持币人的身份重合度并不大,他们之间的利益冲突也不利于社区的生态发展。

PoS机制的诞生

在PoW机制下,封锁概率与计算能力的大小有关,而后来者则试图用持有的货币量来代替计算能力作为证明。他们的研究都指向一个问题:我们能在不消耗物质资源的情况下达到PoW的安全水平吗?2011年,股权证明的概念最早是由一位名叫量子力学的网友在著名的比特币社区比特币论坛上提出的。文章预见了很多现在还在使用的方案,比如用持有的货币量代替计算力的权重,委托权益,分配奖励等等。

第一个将PoS机制的思想应用到实际区块链项目中的是Peercoin,它是由SunnyKing(其网名同样神秘)设计的。从2011年量子力学提出PoS,到2012年8月SunnyKing实现,用了一年多的时间。Peercoin的市值一度达到所有加密货币中的第三位,仅次于比特币和莱特币。然而,由于缺乏投资支持和进一步发展的资源,Peercoin的市值在事后暴跌。随后的2013-2015年,应用PoS机制的Nxt、黑币、影币等加密货币相继出现,但都逐渐从视野中消失。

总结这些项目存在的问题。一是当时PoS的技术还没有完全发展起来,这些项目都处于前期探索阶段,公链的运营效果也没有达到预期;二是对PoS矿工的激励比例没有设定好,每年1%~2%的增发率无法覆盖矿工的运营成本。除了项目刚上马的时候,币价处于上涨阶段,吸引了大量矿商进场。但后期币价稳定甚至遭遇熊市暴跌。矿工们看不到自己的收益陆续离开,公链的价值也急剧下降。

委托人:

解决随机问题,提高赌注率

文章开头提到共识机制的目标是随机选择下一个投标人,而早期的PoS机制并不能很好的解决这个问题。他们经常使用区块链中一个随人的行为而变化的参数(比如前一个块的哈希值)作为随机种子,然后根据这个随机种子生成伪随机数,使得预测甚至操纵随机数成为可能。2013年12月,BM(Daniel Larimer)在论坛上首次谈到如何通过货币持有者可以根据自己的权益进行投票的方式来解决随机性问题,因为参与人数众多的投票结果确实是一个不可预测的人类行为事件。这种允许持有者通过令牌质押和投票的方式将验证块的权利委托给专业节点的机制被称为DPoS(Delegate Proof stage)。BM随后将其应用于Bitshares项目,搭建了适合DPoS架构的石墨烯平台。这种石墨烯技术后来成为DPoS mechani的通用底层

EOS、Tron等dpo公链都配备了固定数量的超级节点。只有票数最高的超级节点才有封杀权。虽然持币人的投票在理论上是一个随机过程,但也滋生了拉票、贿选等现象。同时,在投票状态确定后,这类DPoS公链的超级节点会按照固定的顺序依次屏蔽,而不是随机屏蔽。所以这种公链的去中心化程度是有争议的。

DPoS机制的另一种发展方向是保持机制核心由货币持有者质押和委托给节点,但对节点数量没有限制。同时,每次发块仍然按照股权比例随机选择节点。Tezos、Wanchain等新项目,Cosmos等热门项目,成为其节点满足公链设置的一定要求,但节点数量没有限制。一般需要认捐指定数量的令牌,并满足节点的计算机配置。由于委托/授权机制的存在,没有足够代币或缺乏稳定运营节点条件的持有者也可以通过跑马圈地的方式参与开采并获得分红。因此,DPoS的机制大大提高了全网的跑马圈地比例,部分公链达到了80%甚至90%以上,这无疑相对于上个时代的PoS公链有了很大的进步,从而大大提高了公链的安全性。

大部分PoS公链都意识到了跑马圈地分红对持币人的激励作用,所以新项目往往在机制中内置了严格的分配比例和分配规则,比如Tezos和SunnyKing最新的project V系统,这与之前依靠节点承诺收益分红比例的DPoS项目不同。

学术“奇观”的应用:BFT邮报

拜占庭容错算法(Byzantine Fault Tolerance Algorithm,BFT)起源于1982年的拜占庭综合问题,其本质是在一个折衷的通信网络中实现分布式协议的问题。在互联网时代,它只需要解决容错,所以BFT算法没有作用,直到中本聪在区块链方案中设计了它,才被学术界之外所知。PoS公链环境的第一个应用是Jae Kwon提出的Tendermint算法。令人惊讶的是,BFT算法和PoS机制似乎表现出极好的相似性。BFT容错能给分布式网络带来可观的抗风险能力,强调网络一致性,使块确认最终化,带来更快的块确认速度,解决了分叉问题。如果说纯PoS与PoW相比只是解决了能耗问题,那么BFT POS进一步解决了PoW与纯PoS相比的交易确认、交易分叉、性能低下等问题,BFT PoS带来的飞跃也不容忽视。毕竟,与区块链短短十年的发展时间相比,BFT算法的安全性研究已经过去了30年。

虽然BFT PoS的混合共识机制是在2014年提出的,但真正落实到主流项目中是在后来。2018年,EOS在最新的白皮书中升级了共识机制,从dpo升级到BFT dpo。一个月后,Tezos的类似BFT PoS机制也推出了。与此同时,Vitalik Buterin领导的以太坊最有可能PoS机制3354的CFFG算法也应用了BFT PoS的思想,Tendermint发起人Jae Kwon创办的Cosmos主网也于2019年上线,即将推出的另一个跨链项目Polkadot的爷爷共识也被确认为BFT PoS共识。虽然实施时间较晚,但应用BFT PoS机制的项目近两年呈现井喷之势,不乏人气明星项目。因此,BFT PoS共识机制有望在未来几年成为一种流行的机制。

未来之路:更安全、更高效

公链的性能主要通过三个方面来衡量:安全、高效、去中心化。在共识机制升级之前,EOS被认为是为了提高效率而牺牲去中心化,于是就有了三个方面的高绩效无法同时实现的“不可能三位一体”理论。但在共识机制升级为BFT DPoS,以及其他BFT PoS项目上线后,DPoS公链的去中心化程度逐渐提高,机制逐渐完善。未来PoS机制发展的重点将是继续改进sec

安全程度主要包括两个方面,一是投标人选择的随机性,二是分组验证的参与性。虽然DPoS机制和随机数算法部分解决了随机问题,但真随机数的生成仍然是一个几乎不可能的挑战。因此,现有的随机选择的节点仍然经常被质疑为伪随机,存在安全隐患。市值第二大的PoS公链项目Cardano,现在致力于解决随机数的问题。Cardano创建的Ouroboros consensus算法被认为是第一个对其安全性进行科学证明的公平证明协议。麻省理工学院机械工程和计算机科学系的SilvioMicali教授及其合作者提出的Algorand协议应用了一种新的拜占庭共识协议,该协议可以证明每一轮投票验证者都是随机选择的,比以前的PoS共识更具随机性和不可预测性,因而更难操纵。这是PoS共识在随机性上的发展。

在参与分块验证方面,大部分项目通过高收益率吸引社区参与跑马圈地,而部分新项目在制度和机制上有特殊设计,比如让投票更便捷、分红规则更细化透明等。宇宙设计了全网跑马圈地比例低于2/3时年发行率达到22%,高于2/3时达到7%,以此鼓励持有人参与跑马圈地,最终全网跑马圈地比例达到74%,保证了宇宙的稳定运行。

宇宙令牌价格和赌注年回报率

图表来源:stakingrewards.com

性能方面,EOS目前已经可以500ms分块一次,由于不会分叉,所以分块会被确认,而不是像比特币一样要等6个分块,也就是1个小时才能确认交易,所以性能有了很大的提升。对于未来的跨链生态,目前流行的跨链项目Cosmos和Polkadot也应用BFT PoS consensus作为跨链基础设施。毫无疑问,PoS项目比PoW项目具有更好的性能,而且随着BFT算法和网络通信技术的不断发展,性能还会进一步提高。

部分图片来自网络。

(作者:哈希未来,内容来自链家的开放内容平台“德得好”;本文仅代表作者观点,不代表链家官方立场)

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