共识机制-POS (Proof of Stake)

概述

PoS的全称是Proof of Stake，中文翻译为权益证明。 在本文中，我们将对 PoS 和 PoW 进行比较，以帮助您加深理解。

PoS的由来

PoS最早出现在Peercoin创始人Sunny King的白皮书中。 其目的是解决PoW挖矿中大量资源浪费的问题。 PoS共识机制一经提出，就引起了广泛关注。 Sunny King 还实现了第一代基于 PoW 基础框架的 PoS 区块链：Diancoin。

PoW的具体实现有很多版本，但大多只是改进了挖矿算法，主要逻辑并没有发生质的变化。 PoS包括多种变体实现，每一种变体往往都涉及到区块链代币经济模型的变化，可以说是牵一发而动全身。

这些实现包括 Dotcoin、Blackcoin、Futurecoin 和 Reddycoin，它们都推动了 PoS 机制的发展。 PoS 研究的前沿是以太坊的 Casper 和 Cardano 的 Ouroboros。

那么什么样的机制导致PoS具有这样的特性呢？ 让我们来看看。

什么是权益证明？

在说PoS之前，先说一个概念，叫币龄。 币龄这个概念其实很好理解。 它的英文是CoinAge，字面意思是硬币数量乘以天数。

比如你有100个币，在某个地址9天没有动过，那么生成的币龄就是900。如果你把这个地址上的100个币转到任意一个地址，包括你自己的地址，那么这个币龄age 是 900 在转账过程中花费的。 虽然你的币数还是100，但是币龄已经变成了0，币龄可以在数据链上获取，任何人都可以验证。

让我们回头看看什么是 PoS。 区块链共识机制的第一步是随机选择记账人。 PoW是通过算力获得记账权。 算力越强，获得记账权的概率越大。

PoS用proof of property代替这里的算力，即节点拥有的币越多，获得记账的概率越大。 这有点像公司的股权结构。 持股比例越大的合伙人越有发言权。

以上是对PoS概念的简单介绍。 事实上，PoS 的发展经历了三个版本。 第一个版本是 PoS1。 版本以黑币（blackcoin）为代表，使用的是PoS2.0版本，对应这个版本使用的币种数量，相当于一种财产证明。 后来黑币升级到PoS3.0，这个版本又回到了货币时代。

PoW早在比特币出现之前就已经应用，PoS是真正意义上为区块链创造的概念。

PoS原理

我们知道PoW挖矿的基本逻辑和步骤，就是找到一个nonce值，使得新区块头的hash值小于一个指定值，也就是区块头结构中的“难度目标”

Hash (block_header) < Target

从公式中我们可以看出，PoW下所有矿工的目标值都是一样的，只要计算结果hash小于目标值，就是前导0的个数。

在PoS系统中，这个公式改为：

Hash (block_header) < Target * CoinAge

我们可以看到多引入了一个变量叫CoinAge，就是币龄，这里比较有意思。

这个变量会导致每个矿工看到的目标值不一样。 如果你的币龄比较大，说明你更容易得到答案。 这里的Target与PoW一致，与全网难度成反比，用于控制出块速度。

例如全网当前目标为4369，A矿工输入币龄为15，则A矿工目标值为65535，转成16进制为0xFFFF，完整哈希长度假设为8位，即 0x0000FFFF 。

矿工B比较有钱，他输入的币龄是240，所以矿工B的目标值为0x000FFFFF。 如果你仔细观察，你肯定会发现，相比于A矿工的目标值，B直接少了一个零。 即如下：

矿工 Hash( block_header ) < 0x0000FFFF

B 矿工哈希 ( block_header ) < 0x000FFFFF

因此，B矿工获得记账权的概率必然高于A。

与 PoS 相关的问题

通过上面的介绍，我们知道PoS似乎完美的解决了PoW挖矿资源浪费的问题，甚至顺便解决了51%攻击的问题。 在这里我们可以谈谈什么是 51% 攻击。 如果获得超过51%的算力，账本就可以在一定程度上被篡改。

这里顺便提一下什么是51%攻击？ 我们发现，矿工挖矿的成本不再是物理设备和电费，而是虚拟代币。 它的边际成本几乎为零。 本质上，PoS 是让矿工和用户合二为一。

这也意味着如果一个矿工发动51%攻击，他需要拥有全网51%的币或者币龄，这几乎是不可能做到的。 即使你成功实施了 51% 攻击，也意味着作为全网最大持币者的你也将损失最大。

PoS 看起来很完美，但事实并非如此。 PoS 有很多缺陷。

PoS遇到的第一个问题是货币发行问题。 一开始创世块上只有币，也就是说只有这个节点可以挖，所以币的分布可以让整个网络增长，那么如何去中心化又是一个问题。

所以早期的PoS币种基本上都是采用分阶段挖矿，也有的叫混合挖矿。 很多币种其实是分阶段的，即第一阶段是PoW挖矿，第二阶段是PoS挖矿。

随着ERC20类型的标准合约代币的出现，这个问题得到了解决。 不再需要将第一阶段改为 PoW，代币也可以分散。

第二个问题是币龄与时间挂钩，这也意味着用户可以无限期囤积一定数量的币比特币采用的共识机制，等待很长时间再发起一次挖矿攻击； 所以解决方案是：PoS机制需要引入时间限制来控制时间因素的自然增长。

第三个问题，虽然引入了时间上下限，但用户仍然倾向于囤币，这会造成货币流通不足； 在此基础上，Reddy Coin引入币龄随时间衰减，构建权益速度证明，鼓励用户清算代币比特币采用的共识机制，而不是倾向于囤积代币。

第四个问题是线下攻击。 即使引入了时间上下限，时间还是自然流动的，即不需要要求挖矿节点长时间在线。 挖矿可以离线进行，这简直是灾难，所以任何实用的 PoS 机制形式都必须避免这个问题，因为网络节点的数量直接关系到区块链网络的健壮性。

当然，这些问题都不是致命的。 还记得一开始我们提到PoS经历了三个版本，PoS 2.0的第二个版本并没有使用币龄，而是直接使用币的数量。

这将导致完全不同的结果。 不存在上面提到的第二个、第三个和第四个问题。 貌似直接用币的数量会好一些，但是整个PoS机制有个致命的问题。

这个问题被称为 Nothing at Stake，转化为无成本效益的问题。 一般来说，在 PoS 系统中做任何事情几乎是没有成本的。 例如，在PoS系统上挖矿几乎没有成本，这意味着分叉非常方便。

有多方便？ 每个诚实的矿工都可以在产生孤块时继续挖掘。 无论如何，没有成本。 反正分叉链和主链是可以同时挖矿的，也就是任何币量少的用户都可以尝试分叉并广播分叉链。

这时候如果其他诚实的矿工看到了，第一反应是没有成本，那我们也挖吧，说不定到时候就值钱了，也就是说任何逐利的矿工都不会让系统更强大更稳定，但更混乱。

无论是币龄还是币数作为PoS的参数，都无法回避无成本收益的问题。

但是 PoW 没有这样的问题。 再回到PoW系统，因为任何分叉都会导致挖矿成本直接变成负收益，所以这会抵制分叉的产生，矿工倾向于走“最长”的链条。

由于以太坊部分采用PoS共识，其名称为Casper，它要解决上述的无成本收益问题攻击。 因此，Casper 协议要求 PoS 矿工通过抵押保证金的方式对共识结果进行押注。 具体的实际效果还需拭目以待。

总结

最后总结一下PoS共识机制。 PoS区块链系统不需要外部物理输入，因此比PoW更环保，耗电更少，矿工即用户，一定程度上会抵御51%攻击。 因此，基于PoS机制的数字货币是一种理想的数字货币。

PoS 的缺点是缺乏工业级的区块链应用。 从逻辑上看，有点循环自证的意思。 就是用自己的币来维护系统的安全，币的安全由系统来保证。 因此，现阶段，PoS 的共识机制往往不是独立运行，而是与 PoW 混合在一起运行，可以弥补 PoS 的不足。

PoS共识机制也有矿池，也可能存在中心化挖矿的风险。

虽然PoS共识机制的未来还存在诸多变数，但其可塑性优于PoW，技术探索空间较大。 与 PoW 币种相比，PoS 币种目前具有更高的风险。