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詳解工作證明機制(PoW)和權益證明機制(PoS)

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共識機制是我們在了解區塊鏈后常常會聽到的詞匯。

但如果你和朋友聊天,滿嘴PoW、PoS,那你的朋友也許會是這樣:

一方面,作為同樣可保障區塊鏈網絡安全且擁有驗證交易功能的共識機制,它們都可以使用符合網絡規則的交易來更新賬本,礦工也都可以通過這兩個共識機制來得到挖礦獎勵。

另一方面,作為不同的共識機制,分別具備其自身的效率和權衡是理所應當的。

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因此當以太坊計劃從PoW過渡到PoS、比特幣因兩種機制產生不同能耗時,這兩家為彼此的優缺點各執一詞,爭論愈發激烈。

為了給各位一頭霧水的小伙伴帶來吃瓜的機會,本文將詳解這兩種機制的主要作用以及它們分別的優劣。

雙花

如果一位女士在不知情的情況下與一位已婚男士舉辦了婚禮,那男士就相當于發起了一次“雙花攻擊”——假裝未婚,娶到了兩位妻子。

雙花又名雙重支付,是功能性數字貨幣網絡的主要障礙。

對于現實支付來說,有句話叫做“一手交錢,一手交貨”,但是對于數字貨幣來說,假如其所處的網絡環境并不安全,那完全可以“一手假裝交錢,一手交貨”。

比如張三想用一根棒棒糖換李四的一套房,如果沒有共識機制,那么沒人能證明李四是否同意此筆交易,也沒有人能證明此筆交易是否完成。

幸運的是,亞當·貝克(Adam Back)與哈希現金(HashCash)、戴偉(Wei Dai)與B幣(B-Money)、尼克·薩博(Nick Szabo)與比特黃金(Bit Gold)——提供了解決這一問題的不同方法。

緊接著2008年,中本聰在比特幣白皮書中延用了以上成果,提出了真正的解決方案:工作證明機制(PoW)。短短12年,比特幣一躍成為數字貨幣龍頭,資產已達萬億。而作為世界上第一家萬億美元的公司——蘋果公司,花了42年才達到這個里程碑。

那么工作證明機制(PoW)是如何運轉的呢?為什么它可以解決雙花問題?

工作證明機制(PoW)

PoW很好解釋,其實就像我們日常工作那樣的按勞分配。

它通過數學形式要求礦工用可驗證的工作來支持他們對網絡狀態的決斷,并以此規避那些隨意且有害的更新。

因此礦工為了獲得區塊獎勵,競相將作為有效解決方案的區塊添加至區塊鏈中。礦工擁有的算力越多,就越可以獲得打包區塊的優先權。通過這種共識方式,可以有效規避雙花攻擊的發生。

PoW的優勢

PoW的最大優勢就是其安全性,同時是比特幣以及其他PoW鏈去中心化的基礎。

礦工必須投入真正的資源(以計算硬件和電力等形式),因此任何人都需要獲得網絡一半以上的算力才可以實現惡意攻擊(51%攻擊)。

盡管面對日益嚴峻的能源枯竭,PoW逐漸無法覆蓋所有需求,但它仍是保障并確保數萬億美元安全交易的主要機制之一。

通過PoW,所有人都可以挖礦,甚至在專業的礦工團隊出現之前,大家都可以在家自行挖掘比特幣。

作為相互競爭以提交有效區塊的獨立節點的集合,PoW也完全滿足了去中心化的要求,成為了在安全風險極高的加密世界中實現共識的有效方法。

PoW的劣勢

一方面,PoW其實并不能阻止51%攻擊,只是讓攻擊的成本變得非常高,因此哈希值較低的小型網絡已經逐步成為了此類攻擊的受害者。

另一方面,PoW的能源損耗一直是它廣受詬病的原因。

一個礦場運行著數以萬計的挖礦設備,耗費著現實世界中大量的電能能源。目前的世界已經進入與自然和諧的階段,投資的ESG(環境、社會和治理)效應是許多機構首先考慮的問題。

很多頭條新聞宣稱比特幣每年使用的能源甚至高于挪威一整個國家一年的消耗。

但有意思的是,有些時候美國十二月的圣誕燈飾所耗電力也要高于類似薩爾瓦多和印度尼西亞等國家一年所使用的電力。

因此這個問題比較見仁見智,如果是你,你會傾向于世界擁有比特幣還是世界減少一些能源消耗?

權益證明機制(PoS)

因為愈演愈烈的能源爭論,PoS作為PoW的替代共識機制出現了。

PoW規定礦工無需持有他們挖礦的代幣,但PoS要求必須持有這個代幣并將其質押給區塊網絡,從而根據總量獲取獎勵。也就是如果你持有的代幣越多,時間越長,你所能獲取的獎勵就越多。

PoW機制以利益捆綁的方式保證安全,人們相當于是在做投資,因此在安全性上也有一定的優化。

PoS的優勢

顯而易見,不存在挖礦這一行為后,過度能源消耗的問題得到了解決。

因此以太坊迅速將自身機制由PoW轉為了PoS,并預估這一轉變將使以太坊的網絡能耗降低99%。

而作為大大增加以太坊基礎鏈吞吐量的擴展解決方案的分片技術也需要PoS機制的支持。

同時一臺智能手機就可以滿足PoS的要求,并不需要PoW那樣專業的硬件比如ASIC(特定應用集成電路)這種很快會被淘汰還很昂貴的挖礦機。

最重要的是PoS機制讓51%攻擊更加難以實現——即使惡意攻擊者擁有了51%的算力,也未必可以進行51%攻擊,因為有一部分的貨幣并不是挖礦產生的,而是由利息產生,這大大提高了攻擊的難度,保障了安全。

PoS的劣勢

就像是算力最高的礦工可以最快打包區塊得到獎勵一樣,在PoS中,質押代幣最多的驗證者也可以最快得到驗證資格獲取獎勵。這將導致“越富的越富,越窮的越窮”。

因此PoS無法解決PoW網絡中出現的中心化問題。

更為難以解決的是分叉問題。

PoS機制會無法避免的引發無成本利益,從而導致頻繁分叉。對于PoW來說,即便一個礦工在分叉的新鏈上投入所有算力,也很難會有新礦工想要加入,因為穩定和龐大的鏈的收益會更加可觀,也更安全。

但是對于PoS來說,這樣的行為是沒有成本的,惡意攻擊者可以將質押的代幣投入兩條分叉的鏈上,無論某條分叉的鏈是否被拒絕,也不會遭受損失,甚至可以獲取雙倍的區塊獎勵。這將導致更頻繁的分叉,對用戶來說也意味著更高的不穩定性。

寫在結尾

兩種共識機制其實都是驗證交易的可行方式。

相比較而言,PoW在比特幣網絡上堪稱完美,它通過數學共識機制使用現實的資源來支持比特幣的發行,而PoS更為經濟,減少了能源的損耗。

以太坊作為第二大數字貨幣,選擇從PoW機制轉變為PoS機制,將是對共識機制的一次重大考驗。

區塊鏈網絡擁有不同的應用場景及目標,因此不同的區塊鏈系統采用了不同的共識算法有助于該領域的進一步完善。

未來也許會出現將PoW和PoS的優勢結合起來的全新共識機制,那么到了那個時候,區塊鏈也將迎來又一次的飛躍式發展。

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