分析师|李雪婷
编辑|郝
编者按：再过不到10个小时(倒计时到了)，以太坊将在7080000街区的高度激活君士坦丁堡/圣彼得堡网络升级。这一升级无疑是最近区块链世界最受关注的事件。它不仅影响着数字货币市场背后的巨大利益，也是公链技术探索的又一个里程碑。带领区块链进入“2.0时代”并“走了很长一段路”的以太坊，将通过这种分叉进一步从PoW共识机制过渡到PoS共识机制。o从共识机制的角度，Odaily星球研究院希望带你回到历史，总结共识层的演化规律，重点对比主流PoW和POS变体(或POS)，解释为什么我们认为“PoS”混合共识机制会是公链后期发展的一条出路。
区块链是一个去中心化的分布式账本系统。由于对等网络中的高网络延迟，每个节点观察到的事务顺序不可能完全一致。因此，区块链体系需要设计一种机制，就某一段时间内发生的交易顺序达成共识。这种对一个时间窗口内的交易顺序达成共识的算法称为“共识机制”。共识机制以去中心化的思想解决了节点间的相互信任问题，使得区块链在信息传递过程中完成了价值传递。
然而，在一个分散的系统中，不容易达成一致的算法。中本聪提出了基于PoW(工作证明)的共识机制，可以说是迄今为止最安全可靠的公链共识算法。后来，PoS(stage Proof)机制和PoS机制的一些变种相继出现，比如DPoS(Delegated Proof stage)机制。这些共识机制各有优点，但都被证明有各自的缺点。
正因如此，在区块链领域，人们从未停止探索和创新更好的共识机制，如下图所示。
电源问题突出显示
PoW(工作量证明)是一种按劳分配模式，即矿工以工作量的多少来争取记账的权利。工作量越大，矿工的计算能力就越大，矿工获得记账权的概率就越大。
PoW共识在比特币中的应用意义重大，也是迄今为止最早、最安全可靠的公链共识算法。然而，战俘共识有明显的缺陷：
1.资源浪费PoW共识过程高度依赖于区块链网络节点贡献的计算能力。这些计算能力主要用于解决SHA256哈希和随机数搜索，实际上并不产生任何有效的社会价值。随着加密数字货币的日益普及和专业挖矿设备的出现，加密数字货币生态圈在资金和设备方面呈现出明显的“军备竞赛”，逐渐成为高能耗的资金密集型产业，资源消耗问题进一步凸显。根据Digiconomist的数据，如果将比特币视为一个国家，其用于挖矿的总耗电量已经超过阿尔及利亚、以色列和希腊，位列全球第45位。
单看以太坊，矿业总用电量超过马其顿、洪都拉斯和安哥拉，年用电量约8.63万亿瓦时，占世界用电量的0.04%。
2.在计算能力集中的中本聪中设计PoW共识机制的前提是计算能力和节点的均匀分布。然而，随着比特币数量的减少，对计算能力的需求变得更高，人们开始通过联合挖矿来加速获取比特币，从而诞生了一种新的挖矿池阻力游戏。矿池的出现，在一定程度上破坏了比特币等加密数字货币体系的平衡，马太效应逐渐显现。
根据btc.com(统计时间：2019年2月19日)、BTC.com、安特普尔、斯卢什普尔、维亚布茨和BTC的数据。过去一年排名前五的挖矿池TOP，占比特币总份额的64.6%。理论上这五个矿池联手，确实有能力发动51%的计算攻击。实际上，这些矿池掌握全网51%计算能力的成本远远超过攻击成功后的收益，但51%攻击的安全威胁始终存在，引起人们对计算能力集中的担忧(后面详述)。
3.缺乏“最终一致性”PoW支持分区容差(可以分叉)，即放宽对最终一致性确认(可以回滚)的要求，约定大家选择已知最长的链进行确认。在这种情况下，系统的最终确认只存在于概率意义上。
4.业务处理性能低。虽然PoW共识算法投入了大量的能量支持系统，但是这些能量消耗大部分用于工作量认证中的哈希运算，区块链网络在事务处理中的性能很低。比如比特币每秒只能进行1 * 1024 * 1024/250/(10 * 60)=6.99次左右的交易。
PoS的提出和点币的实践逐渐凸显PoW问题，引发人们对这一机制的质疑和思考。PoS开始出现。
公共组织的共识机制起源于人们对矿业“公地悲剧”的争论。“公地悲剧”是由英国的加勒特哈丁于1968年在文章《The tragedy of the commons》中提出的。他指出，公地作为一种资源，有很多用户。每个使用者都知道资源会因过度使用而枯竭，但他无权阻止他人使用。因此，每个人都倾向于过度使用它，从而加剧了这种情况。
2010年11月，范德路易指出了矿业公地的悲剧，并引起了广泛的讨论。讨论的焦点是比特币系统需要消耗大量的计算能力来维持系统的安全性和稳定性。然而，随着比特币不断被挖掘，区块奖励降低，越来越多的节点会退出系统，攻击成本降低，比特币网络系统将出现“公地悲剧”。
2011年7月，数字货币爱好者量子力学(Quantum Mechanic)在比特币论坛上首次提出了股权证明而非工作证明的概念。公平证明共识机制的概念一出现，就受到很多人的青睐。人们意识到，权益证明可能是解决开采公地悲剧的办法。
与PoW物理开采不同，PoS共识是整个开采过程将被虚拟化，验证者将取代矿工。
其操作过程如下：
验证者必须锁定他们拥有的一些令牌作为安全保证金。
之后，他们将开始验证区块。与此同时，当他们发现一个他们认为可以添加到链中的块时，他们会通过下注来验证它。
如果区块链接成功，验证者将获得与其赌注成比例的奖励。
2012年8月，阳光王者发布Peercoin (PPC)，PoS第一次付诸实践。PoS系统中权益最高而非计算能力最高的节点获得记账权，其中权益体现为节点对特定金额货币的所有权，称为币龄或币日。计算硬币结合了PoW和PoS共识算法。在早期，PoW挖掘方法用于向矿工分发令牌。后期随着挖掘难度的增加，系统主要靠PoS一致性算法来维护。但在PoS后期，投资者可以通过自己的资金囤积和垄断小币，降低了小币的流动性。
例：每枚硬币每天产生1个币龄。比如你一共持有100枚硬币30天，那么你的币龄就是3000。当创建一个新块时，其他想要正确记账的节点也需要计算哈希值。得到满足条件的哈希值的难度与难度值有关，与钱龄成反比。也就是你的钱越老，得到符合条件的哈希值的概率越大。同时，当你的钱清零后，记账后系统会给你相应的“利息”。你每清算365块钱，利息就是3000 *。
此后，更多的变体从PoS衍生出来，并且每个变体经常涉及到区块链token经济模型的变化。比如ReddCoin，Slimcoin等。都促进了PoS的发展，还有Casper，Cardano(大毒蛇)，Fractal等。处于PoS研究的最前沿，这将在下面详细描述。
PoS不是一个完美的选择。客观来说，PoS机制的诞生确实解决了PoW的一些弊端：
1.PoS机制开发新区块在一定程度上避免了资源的浪费，而系统区块的自动输出缓解了数字资源有限带来的通缩。
2.在POW机制下，矿池可以通过规模经济提高产量，降低长期平均成本。但PoS共识机制削弱了中央矿池对规模经济的需求，计算能力集中垄断的局面也得到缓解，个体竞争力差异相对缩小。
3.就51%攻击而言，PoS共识机制发起一个小时攻击的成本远远大于PoW共识机制。
以比特币为例。目前比特币的流通供应量为1755.15万BTC。如果共识算法是PoS，对它的51%攻击需要持有8，775，750 BTC，相当于34，906，510，958美元的市值。但在PoW的情况下，以租借的方式计算，只需要242051美元左右。针对数字货币中POS的其他51%攻击的成本与针对PoW的1小时51%攻击的成本之间的比较如上面的表1所示。
那么PoS共识机制完善吗？答案是否定的。
第一，PoS本身很难实现。
1)发行1)代币发行。当初只有创始块有Token，只有分散Token的开发权，网络才能壮大。然而，在当前许多国家禁止ICO的环境下，如何合规、均衡地分发Token成为了一个难题。
2)记账节点数量难以确定。大多数点依赖于PBFT算法，但PBFT需要确定节点的数量，以选举块生产者。在PoS机制下，节点可以随时参与或退出挖掘。这样一来，总选举人数无法确定，1/2或2/3的通过率也无法衡量。而且计费节点的不确定性会增加网络划分的概率，从而导致分叉。
此外，PoS系统需要高度安全的网络来抵御各种类型的黑客攻击。目前还没有一个公链被证明有这样的实力，甚至以太坊也经常有黑客攻击。
第二，被动进化是意外集权的结果。对于一个采用PoW共识机制的公链(反ASIC挖掘算法)，其碎片化和安全性主要依赖于计算能力的分散。只要有显卡和网络，任何人都可以成为矿工，从而降低用户门槛，促进更多人参与挖矿，实现早期计算能力的分散。只要超过51%的计算能力来自诚实的矿工，区块链交易就相对安全且不可逆转。
但对于一个采用PoS共识机制的公链来说，在主上线之初，创世区块分发的绝大多数Token都属于有限的几个项目方和私人投资者。封锁区块链的权利只能由这些玩家决定。如果这些人合谋攻击区块链，那么双重支出攻击就能成功实现。虽然开发者和投资人的利益都充分体现在Token的价值上，不会出于利益参与恶意行为，但是PoS公链在主上线后必然会被这些人垄断和支配。更糟糕的是，如果能从区块中获得大量的奖励和交易费用，这些垄断者就会将大量的股权牢牢控制在自己手中，使得PoS公链成为一个实质上由巨头控制的网络。
第三，没有利害关系。在PoW机制中，当区块链发散时，矿工必须选择一个方向进行开采。在PoS机制下，PoS矿工倾向于双向挖掘，以实现利润最大化。因为分叉不消耗任何资源。矿工可以在最长的链上采矿，同时创建一个分支，只在自己的街区采矿。除此之外，其他验证者也乐于接受分叉。他可以同时在两条链上“挖矿”，因为在顶上“挖矿”没有损失。相反，如果他不这样做，如果链被接受，他将遭受损失。因此，即使是诚实的验证者也会倾向于同时在所有链上“挖掘”。虽然他们知道这种尝试会降低整个代币的价值，但他们没有多少钱，他们也不在乎。这就是所谓的公地悲剧。
我们可以这样理解这个词：主席台上有十个候选人，下面很多人给这十个候选人投票。投票的话，可以给这个主席台上的十个人每人投一票，也就是一人投十票，每人投一票。这样，无论台上哪位候选人成为最后的赢家，你都会受益。
PoW PoS混合机构更接近理想。几乎所有的共识机制都有其独特的优势，但也有其弊端。没有一种共识机制能够完美地解决区块链的“不可能的三位一体”问题。因此，人们开始思考是否有可能将两种共识混合使用，从而整合两种共识的优点，避免一些缺点。于是就有了“混合共识”。在“混合共识”中，PoW PoS混合机制是最流行、最成功的共识算法。
2014年4月，Larry Ren在《Reddcoin 白皮书》中提出了股权速度证明(PoSV)的共识机制。PoSV算法前期使用PoW实现令牌分发，后期使用PoSV维护长期网络安全。PoSV将PoS中的钱龄与时间的线性函数修改为指数衰减函数，即钱龄增长率随时间递减，最终趋于零。因此，新币的币龄比旧币增长更快，直至达到上限门槛，这在一定程度上缓解了持有人之间的硬币囤积现象。
2014年5月发布的Slimcoin提出了基于PoW和PoS的PoB共识机制。其中，PoW共识用于生成初始令牌供应。随着时间的推移，当区块链网络积累了足够多的令牌时，系统将依靠PoB和PoS共识来共同维护。PoB共识的特点是，矿商通过将他们的Slimcoin发送到一个特定的不可恢复地址(burning)来争夺新区块的记账权。烧币越多，挖新块的概率越高。
2014年12月提出的活动证明共识(PoA)也是基于PoW PoS，PoW挖掘出的一些代币通过抽奖的方式分配给所有的活动节点，节点拥有的权益与彩票数量即中奖概率成正比。
Casper于2015年提出，是以太坊在其路线图中称为Serenity的第四阶段采用的共识算法。目前还处于设计、讨论和完善阶段。目前Casper有两个版本，分别是Vitalik Buterin领导的Casper Friendly Final Gadget (CFFG)和Vlad Zamjir领导的Casper the Friendly Ghost (CBC)。
Casffg是一个混合权力PoS共识机制。旨在缓冲权益凭证的转换过程。设计方法是在普通以太坊工作量认证协议上叠加一个权益认证协议。虽然块还是会被工作量证明挖出来，但是每50个块会有一个检查点(PoS块)用于权利证明，也就是验证者评估网络中确定性的地方。PERCBC协议中有一个预测性的安全预测器，它列出了未来在设置错误的例外情况下所有可能出现的错误，提出了合理的估计。在给定的区间内，其正确性由其构造过程来保证。
卡斯珀FFG是PoW PoS共识，而卡斯珀CBC是clear PoS共识。同时，PoS一致性的两个主要原则是基于链的PoS和拜占庭容错PoS。CBC是基于链的PoS设计，而CFFG是两者的结合。
Casper和其他PoS共识的区别在于Casper实现了一个过程，这样它就可以惩罚所有的恶意因素。
验证者将他们拥有的以太坊的一定比例作为保证金。
然后，他们将开始验证该块。也就是说，当他们发现一个他们认为可以添加到链中的块时，他们会通过下注来验证它。
如果方块被添加到链中，那么验证者将获得与他们的赌注成比例的奖励。
但是，如果一个验证者的行为是恶意的，试图做一些“无关”的事情，他们将立即受到惩罚，他们的所有权益将被切断。
其实以太坊之所以从PoW变成PoS，是出于多方面的考虑。在性能的压力下，有计算能力的现实威胁，有来自其他公链竞争的挑战。综上所述，目前以太坊所走的“先过渡到PoW PoS，再完全放弃PoW”的道路，也是一种共识机制的创新。
然而，现实情况是，这条道路的实施速度相对较慢。这是因为以太坊是一个庞大的社群，改变共识机制使得作为生产者的矿工在社群中的部分利益不一致。然而，在PoW机制的以太坊中，矿工是区块链的决策者，从PoW直接过渡到PoS难免会有困难。
总之，以太坊的升级不是技术问题，而是社区很难达成共识。如果直接升级做硬叉，可能会导致社群和大部分以太坊生态的分裂。
为什么不直接转换成PoS？Vitalik Burterin的回答简洁而直接：
“从PoW机制到PoW PoS交易混合机制，变化很小，可以更快、更安全、更有利于用户。因为我们要避免机制变化带来的危险，只有在整个系统更安全的情况下，我们才能进行更大的投入。”
2017年8月Cardano提出的大毒蛇共识(Ouroboros consensus)是一个基于PoS的具有严格安全保障的区块链协议。其特点是使用新的奖励机制驱动PoS共识过程，使诚实节点的行为构成近似纳什均衡，用于有效抵御分块拦截、自私挖掘等矿工策略行为导致的安全攻击。
综上所述，在一个公链项目的前期，如果使用PoS协议，会带来很多问题，在PoW协议下是可以避免的。使用PoW协议启动主网的区块链，可以实现分散一致，从而避免这些问题。当PoW公链发展了一段时间，股权分布相对分散时，可以选择“PoS”共识机制。
参考文献：1。袁勇，倪，区块链共识算法的发展现状及展望[J].自动化学报，2018，44(11):2011-2022。
2.以太坊的Casper协议是什么？https://ethfans.org/posts/ethereum-casper
3.刷卡机为什么比啪更能避免51%攻击？https://www.odaily.com/post/5135670
4.从啪到位置，以太坊的进化之路https://mp.weixin.qq.com/s/yw5jeCdB8g3hSABJTCio3A
5.20股权证明[在线],可获得：股权https://en.bitcoin.it/wiki/Proof,2018年四月11日
6.放大图片作者：James a .协议共识算法[在线],可用：https://ripple.com/flles/ripple共识白皮书. pdf，2018年四月10日
7.比特币。委托股权证明[在线],可用时间2018年，http://docs.bitshares.org/bitshares/dpos.html年四月10日
8.兰波特帕索斯制造简单。美国计算机学会信号行动新闻，2001年，32(4): 18 25
9.任我。股份速度的证明：构建数字时代的社会货币[在线],可获得2018年，https://assets.coss.io/documents/whitepapers/reddcoin.pdf年四月10日
10.烧伤的证明[在线],可获得：烧伤的https://en.bitcoin.it/wiki/Proof,2018年四月10日
11.放大图片作者：Michael j .活动证明：通过股权证明扩展比特币工作证明[在线],可获得2018年，http://eprint.iacr.org/2014/452年四月10日
12.杨婷，范力，周洪生2跳：将工作证明和利益证明安全地结合起来[在线],可获得：https://eprint .iacr .org/2016/716，2018年四月10日
13.Kwon J. Tendermint:没有采矿的共识[在线],可获得2018年，https://tendermint.com/static/docs/tendermint.pdf年四月10日
14.博客e。介绍卡斯帕\”友好的幽灵\”[在线],可获得：https://博客。以太宇宙。org/2015/08/01/Introducing-Casper-Friendly Ghost/，2018年四月10日
15.大卫B，加ˇ齐P，基亚伊斯A，拉塞尔A .大毒蛇praos:一种自适应安全的半同步利害关系证明协议[在线],可用时间：http://eprint.iacr.org/2017/573，2018年四月10日
16.Goodman L . m . te zos-一个自我修正的加密分类帐[在线],可从以下网址获得：
17.https://www.tezos.com/static/papers/position论文. pdf，2018年四月10日
18.米勒一，夏y，克罗曼k，宋d .2016年ACM SIGSAC计算机与通信安全会议论文集。中国西安：美国计算机学会，2016年。31 42
19.Zamflr V。介绍卡斯帕\”友好的幽灵\”[在线],可得：https://博客。以太宇宙。org/2015/08/01/介绍卡斯帕-友好-幽灵，2018年四月10日
推荐阅读：以太坊君士坦丁堡分叉，你想知道的一切都在这里
