什么是權(quán)益證明PoS？詳解區(qū)塊鏈PoS共識機制原理與特點
前言
權(quán)益證明 (PoS) 是一種加密貨幣的共識機制，用于處理交易和在區(qū)塊鏈上建造新的區(qū)塊。參與者可以質(zhì)押該區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的代幣成為節(jié)點，依據(jù)質(zhì)押代幣數(shù)量的多少，將有機會成為驗證者來驗證交易并獲得區(qū)塊獎勵。
在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上，所有的交易都記錄在被稱為分布式帳本(DLT)的數(shù)據(jù)庫中，由多個節(jié)點共同編寫和復(fù)制，為了確保帳本的正確性，需要有共識機制來防止惡意的數(shù)據(jù)竄改。
權(quán)益證明通過要求驗證者質(zhì)押一定數(shù)量的代幣以實現(xiàn)交易安全，它解決了工作量證明 (POW) 共識機制中耗費大量設(shè)備資本與能源的問題，減少了驗證交易和區(qū)塊所需的 CPU 工作量，是近年來受到許多區(qū)塊鏈項目青睞的共識機制。
什么是共識機制
共識機制，是分布式系統(tǒng)中所有參與者針對單一資訊來源達成一致見解的方法。中心化的系統(tǒng)不需要共識機制，資訊的真實與否是由控制的實體決定的。例如，在中心化的數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫管理員擁有添加、刪除、和修改數(shù)據(jù)的權(quán)利，查詢數(shù)據(jù)庫的用戶被動地接收來自數(shù)據(jù)庫管理員的資訊。
在分布系統(tǒng)中，依賴大量的自治機構(gòu) （節(jié)點）共同合作維護網(wǎng)絡(luò)，資訊的真實與否由全體共同決定。例如，在區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)上，任何節(jié)點都有可能創(chuàng)建新區(qū)塊紀錄并驗證交易。然而，因為設(shè)備故障、網(wǎng)絡(luò)延遲、或是惡意攻擊等因素，來自不同節(jié)點的資訊可能出現(xiàn)矛盾的情況，因此不同的節(jié)點間必須要有一種共識算法，使數(shù)據(jù)的紀錄達成一致。
在區(qū)塊鏈的發(fā)展歷程中，最早被采用的共識機制為工作量證明 (PoW)，資訊的真實性由最大的 CPU 算力背書。由于其資本密集與耗能的問題，出現(xiàn)了權(quán)益證明 (PoS) 這一替代方案，資訊的真實性改由質(zhì)押代幣數(shù)量最大的利害關(guān)系人背書，使網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點達成一致的共識。
什么是 PoS 權(quán)益證明
權(quán)益證明 (PoS) 的共識機制最早是于 2011 年在 Bitcointalk 論壇上，由一位化名為 QuantumMechanic 的成員提出討論，之后 Scott Nadal 和 Sunny King 等其他參與者也協(xié)助構(gòu)思，確立了權(quán)益證明的內(nèi)核概念。
在工作量證明 (PoW) 的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，交易是由稱為“礦工”的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供 CPU 算力來解出復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，以獲得新區(qū)塊的記帳權(quán)和獎勵。在權(quán)益證明 (PoS) 的網(wǎng)絡(luò)中，稱為“驗證人”的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供加密貨幣存款作為抵押品，抵押數(shù)量越多的節(jié)點越有機會獲得新區(qū)塊的記帳權(quán)和區(qū)塊獎勵。
為了避免抵押金額高的驗證人成為創(chuàng)建新區(qū)塊的固定節(jié)點，挑選驗證人的算法通常都會包含其他的參數(shù)，如質(zhì)押代幣數(shù)量、代幣年齡、隨機區(qū)塊選取等，確保不會由固定的節(jié)點創(chuàng)建新區(qū)塊。代幣年齡指的是驗證人質(zhì)押代幣后間隔多久時間尚未創(chuàng)建新區(qū)塊，代幣年齡越大的驗證人，創(chuàng)建新區(qū)塊的機率越高。設(shè)置代幣年齡的機制，可以讓質(zhì)押數(shù)量較少的節(jié)點也有機會創(chuàng)建新區(qū)塊從而獲得獎勵。
一般來說，權(quán)益證明 (PoS) 的運作流程大致如下：
- 節(jié)點間會執(zhí)行尚未被驗證的交易，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)將這些待驗證的交易存放于一個池子中，等待質(zhì)押加密貨幣的驗證人處理。
- 算法根據(jù)一些參數(shù) ，如質(zhì)押代幣數(shù)量、代幣年齡、隨機區(qū)塊選取等 ，挑選出一個驗證人創(chuàng)建新區(qū)塊。
- 被選中的驗證人確認待驗證的交易后，創(chuàng)建新區(qū)塊并打包這些交易紀錄。
- 其他未被選中的節(jié)點確認新區(qū)塊的內(nèi)容是否正確。
- 如果新區(qū)塊中的交易紀錄也被其他節(jié)點確認無誤，添加新的區(qū)塊至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。反之，若新區(qū)塊中的交易紀錄有異常，則拒絕添加新的區(qū)塊。
- 新的區(qū)塊被添加時，驗證人可以取回質(zhì)押的代幣并獲得該區(qū)塊獎勵，如果驗證人選取算法有使用代幣年齡的機制，則當前區(qū)塊驗證人的代幣年齡將重置為 0。反之，若新的區(qū)塊被拒絕添加時，驗證人質(zhì)押的代幣可能會遭受到削減 (Slash) 的懲罰。
圖來自 coinsentinel.io
PoS 權(quán)益證明的優(yōu)勢
權(quán)益證明 (PoS) 被許多人認為是比工作量證明 (PoW) 更為優(yōu)秀的共識機制，主要在于其以下優(yōu)點：
不需要高規(guī)格的設(shè)備
參與權(quán)益證明區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備門檻低，一般的個人端計算機即可作為節(jié)點。參與工作量證明區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的CPU 算力要求很高，需要購買特制化的計算機。
能源效率高
權(quán)益證明的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)不需要進行大量的哈希運算，因此運行節(jié)點不必耗費大量的能源。工作量證明的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，礦工需要互相競爭，要比其他參與者更早發(fā)現(xiàn)新區(qū)塊，執(zhí)行大量的哈希運算會消耗大量的能源。
可擴容性高
高規(guī)格設(shè)備與高能源支出是工作量證明區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)在擴容時所面對的主要瓶頸，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，額外添購的設(shè)備花費與能源消耗會指數(shù)遞增。權(quán)益證明的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)沒有這方面的問題。
技術(shù)門檻較低
架設(shè)高規(guī)格的礦機以及后續(xù)運作上的維護需要相當多的專業(yè)知識，因此工作量證明的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)比較適合機構(gòu)及專業(yè)技術(shù)人員參與。權(quán)益證明的結(jié)點僅需一般的個人端設(shè)備，更適合大眾化的推廣。
更去中心化
權(quán)益證明通過算法確保所有的節(jié)點，無論質(zhì)押數(shù)量多寡都能有效地參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)運作。然而在工作量證明的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，絕大部分的區(qū)塊生成、交易驗證、以及獎勵分配都被高 CPU 算力的礦機和礦池壟斷，較小的節(jié)點難以與之抗衡，在長尾市場中權(quán)益證明是更佳的選擇。
更環(huán)保
運行權(quán)益證明的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)不需要大量能源消耗和設(shè)備規(guī)格競爭，對于環(huán)境的沖擊及影響遠低于工作量證明的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。
PoS 權(quán)益證明的安全性
不管是什么樣的共識機制，除了要能有效地讓網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點順利達成共識外，安全性是最關(guān)鍵的考量之一，若共識機制不安全，則網(wǎng)絡(luò)將因惡意攻擊者的入侵而癱瘓。
在工作量證明的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，共識是通過 CPU 算力取得，因此若能控制區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中超過 51% 的 CPU 算力，即可掌控該區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的主導(dǎo)權(quán)。攻擊者可以用雙重支付、拒絕或更改交易記錄，或阻止他人挖礦等方式來獲取利益，這個現(xiàn)象又被稱為是 51% 攻擊。
然而 51% 攻擊發(fā)生的可能性會隨著工作量證明的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大而降低。要執(zhí)行 51% 攻擊，意味著需要大量的挖礦設(shè)備提供算力并支付其能源開銷，若攻擊成功的報酬小于發(fā)起攻擊所需付出的成本，將使得 51% 攻擊變得經(jīng)濟上不可行。以比特幣為例，自創(chuàng)世區(qū)塊開采至今的十馀年間從來都沒有出現(xiàn)過 51% 攻擊，遍布世界各地的比特幣礦機節(jié)點提供了大量的 CPU 算力保證比特幣網(wǎng)絡(luò)的安全性。
權(quán)益證明的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)同樣有面臨 51% 攻擊的可能性，惡意的節(jié)點只要取得總質(zhì)押代幣總數(shù)的一半以上，就能取得區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)，自行偽造虛假的區(qū)塊和交易記錄，也就是說攻擊者可以通過收購大量代幣的方式來發(fā)動攻擊。
然而這種攻擊方式是不切實際的，收購大量的代幣將因需求增加而導(dǎo)致代幣價格上漲。發(fā)起攻擊后，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)會受到影響，用戶的恐慌會造成代幣價格下跌。收購代幣的成本通常會遠大于從攻擊中獲得的代幣價值。
比較有可能攻擊權(quán)益證明共識機制的做法是勾結(jié)其他的節(jié)點，使得互相串通的節(jié)點持有 51% 以上的質(zhì)押代幣總數(shù)，通過結(jié)點間的合縱連橫，一樣可以達到控制區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的目的，而不必付出太過昂貴的代價。
為了避免不同節(jié)點間出現(xiàn)共謀的問題，權(quán)益證明的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)引入了懲罰機制，虛假的區(qū)塊和交易記錄若遭到其他驗證人發(fā)現(xiàn)，發(fā)起攻擊的節(jié)點可能會損失部分甚至是全數(shù)的質(zhì)押代幣資產(chǎn)，這解決了以往權(quán)益證明節(jié)點的無利害關(guān)系問題 (Nothing at Stake Problem)，也使得驗證人間彼此的串通變得更加困難，因為無法確定其他節(jié)點是否愿意冒著虧損的風險共謀。
只要抵押物價值高于獎勵，權(quán)益證明的驗證人會發(fā)現(xiàn)試圖欺詐的虧損將大于誠實運作的獎勵，在經(jīng)濟誘因的驅(qū)使下，節(jié)點將會誠實地運作，因此權(quán)益證明的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)在安全性方面并沒有太多的問題，尤其是在市值較高的加密貨幣，幾乎不可能發(fā)生 51% 攻擊。
PoS 有哪些潛在問題?
盡管權(quán)益證明的共識機制有許多特長之處，但仍然存在一些潛在的隱患。比如，權(quán)益證明往往遭人詬病會造成“富者愈富、貧者愈貧”的現(xiàn)象。抵押金額高的節(jié)點會有更高的機率創(chuàng)建區(qū)塊獲得獎勵，這會使得財富向持有代幣數(shù)量多的驗證人靠攏，使貧富不均的問題更加嚴重。
然而權(quán)益證明的支持者則認為，在所有的資本市場及博弈中，富者在先天上就具備了更強的競爭優(yōu)勢，即便是換成工作量證明的共識機制也還是會遭遇一樣的問題，比起工作量證明網(wǎng)絡(luò)的高參與門檻，人人皆可受益的權(quán)益證明已經(jīng)是更佳的解決方案。
另一個常見的問題則是代幣的供給較難預(yù)估，因為無法質(zhì)押的節(jié)點數(shù)量可能會增加或減少，這會間接地衍生出其他問題。比如，當代幣的市場價格不斷下跌時，質(zhì)押的節(jié)點收益可能會無法彌補繼續(xù)持有代幣的損失，造成大量節(jié)點解除質(zhì)押拋售代幣，降低區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的安全性。
此外，若質(zhì)押的節(jié)點數(shù)量大幅增加，也有可能造成代幣供給短缺進而推升價格，這也是惡意的開發(fā)團隊在拋售持有代幣前，經(jīng)常會使用的價格操縱手法。相對而言，工作量證明的代幣供給較為穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)類似的狀況。
除了 PoS 和 PoW 還有哪些共識機制 ?
分布式系統(tǒng)中的共識機制并非只有工作量證明和權(quán)益證明這兩種，區(qū)塊鏈技術(shù)在歷經(jīng)了十多年的發(fā)展后，已經(jīng)有許多新穎的共識機制被人們所提出，在此簡單介紹如下：
空間證明 (Proof of Space)
空間證明 (PoS) 是一種共識算法，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點必須要保留相當大的硬盤存儲空間才有驗證交易和獲取獎勵的資格，驗證者會對提供存儲空間的節(jié)點發(fā)起挑戰(zhàn)，以確保其持續(xù)地提供這些存儲空間，Chia Network 采用的即為空間證明的算法。
圖來自 Chia Network
權(quán)威證明 (Proof of Authority)
權(quán)威證明 (PoA) 是一種共識算法，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點不會質(zhì)押代幣，但需要以自己的名譽為賭注以換取驗證交易的資格，因此驗證者需要透露自己的真實身份才可以參與，這個過程降低了選擇可疑驗證者的風險，并且鼓勵長期承諾，VeChain 采用的即為權(quán)威證明的算法。
委托權(quán)益證明 (Delegated Proof of Stake)
委托權(quán)益證明 (DPoS) 是權(quán)益證明 (PoS) 的一種變形，持有加密貨幣的用戶將自己的加密貨幣當作選票委托給見證人，這些見證人依照受委托的加密貨幣數(shù)量而有名聲高低的差異，被選出的見證人代表視為最受信賴的代表，擁有驗證區(qū)塊鏈交易的記帳權(quán)利，EOS 采用的即為委托權(quán)益證明的算法。
總結(jié)
權(quán)益證明共識算法通常被認為是工作量證明的演進，用戶可以質(zhì)押持有的加密貨幣成為驗證人，建造新區(qū)塊獲得獎勵，也能和其他節(jié)點共同驗證交易紀錄，維護區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的安全。
權(quán)益證明沒有資本密集和高耗能的挖礦，對參與者而言門檻較低更為親民，被視為是兼顧環(huán)保與去中心化的共識機制。在擴容性上權(quán)益證明的表現(xiàn)也更優(yōu)于工作量證明，越來越多的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)如 Cardano、Tezos、Avalanche、GateChain 都采用了權(quán)益證明的機制。
目前市值第二大的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)以太坊，在預(yù)期 2022 年完成的 ETH 2.0 網(wǎng)絡(luò)升級中，也從原本的工作量證明轉(zhuǎn)換成權(quán)益證明的共識機制，盡管運行 ETH 2.0 的節(jié)點需要質(zhì)押 32 枚 ETH ，門檻較高，但從史無前例的共識機制更換中也不難看出，權(quán)益證明確實是未來區(qū)塊鏈發(fā)展的趨勢之一。
雖然權(quán)益證明的共識機制看似改善了工作量證明所面臨的諸多難題，但在區(qū)塊鏈中仍然是較為新穎的技術(shù)，是否有其他未知的問題和缺陷，有待時間的考驗及見證。
到此這篇關(guān)于什么是權(quán)益證明PoS？詳解區(qū)塊鏈PoS共識機制原理與特點的文章就介紹到這了,更多相關(guān)權(quán)益證明PoS詳細介紹內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持腳本之家！
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