概述
PoS全稱是Proof of Stake，中文翻譯為權(quán)益證明。這一篇我們會(huì)將PoS與PoW對(duì)比講解，幫助你加深理解。
PoS的由來(lái)
PoS最早出現(xiàn)在點(diǎn)點(diǎn)幣的創(chuàng)始人Sunny King的白皮書中，它的目的就是為了解決使用PoW挖礦出現(xiàn)大量資源浪費(fèi)的問(wèn)題。PoS共識(shí)機(jī)制一經(jīng)提出就引起了廣泛關(guān)注，Sunny King 也基于PoW的基礎(chǔ)框架實(shí)現(xiàn)了第一代PoS區(qū)塊鏈：點(diǎn)點(diǎn)幣。
PoW的具體實(shí)現(xiàn)有很多版本，但它們大多只是在挖礦算法上有所改進(jìn)，主體邏輯并沒有發(fā)生質(zhì)的變化。PoS包含了多個(gè)變種實(shí)現(xiàn)，每個(gè)變種往往會(huì)涉及區(qū)塊鏈代幣經(jīng)濟(jì)模型的改動(dòng)，可以說(shuō)是牽一發(fā)而動(dòng)全身。
這些實(shí)現(xiàn)有點(diǎn)點(diǎn)幣、黑幣、未來(lái)幣、瑞迪幣，它們都推動(dòng)了PoS機(jī)制的發(fā)展，PoS研究前沿還有以太坊的 Casper ，以及 Cardano 的Ouroboros。
那到底是什么樣的機(jī)制導(dǎo)致PoS具有這樣的特性呢？讓我們來(lái)看一看。
什么是PoS？
在講PoS之前，我先來(lái)講一個(gè)叫做幣齡的概念，幣齡這個(gè)概念其實(shí)很好理解，它的英文是 CoinAge，字面意思就是幣數(shù)量乘以天數(shù)。
比如你有100個(gè)幣，在某個(gè)地址上9天沒有動(dòng)，那么產(chǎn)生的幣齡就是900，如果你把這個(gè)地址上這100幣轉(zhuǎn)移到任意地址，包括你自己的地址，那么900個(gè)幣齡就在轉(zhuǎn)移過(guò)程中被花費(fèi)了，你的幣數(shù)量雖然還是100個(gè)，但是幣齡變更為0。幣齡在數(shù)據(jù)鏈上就可以取到，任何人都可以驗(yàn)證。
我們回過(guò)頭來(lái)看看PoS究竟是什么，區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制的第一步就是隨機(jī)篩選一個(gè)記賬者，PoW是通過(guò)計(jì)算能力來(lái)獲得記賬權(quán)，計(jì)算能力越強(qiáng)，獲得記賬權(quán)的概率越大。
PoS則將此處的計(jì)算能力更換為財(cái)產(chǎn)證明，就是節(jié)點(diǎn)所擁有的幣齡越多，獲得的記賬的概率就越大。這有點(diǎn)像公司的股權(quán)結(jié)構(gòu)，股權(quán)占比大的合伙人話語(yǔ)權(quán)越重。
以上算是簡(jiǎn)述了PoS的概念，實(shí)際上，PoS的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)版本，第一個(gè)版本是以點(diǎn)點(diǎn)幣為代幣的PoS1.0版本，這個(gè)版本中使用的是幣齡；第二個(gè)版本為代表的是黑幣（blackcoin），它使用的為PoS2.0版本，對(duì)應(yīng)這個(gè)版本使用的是幣數(shù)量，相當(dāng)于是財(cái)產(chǎn)證明，后面黑幣又升級(jí)到PoS3.0，這個(gè)版本又回到了幣齡。
PoW早在比特幣出現(xiàn)之前就已經(jīng)應(yīng)用了，而PoS是才是真正意義上為了區(qū)塊鏈而創(chuàng)造出來(lái)的概念。
PoS的實(shí)現(xiàn)原理
我們知道PoW挖礦的基本邏輯和步驟，即找到一個(gè)nonce值，使得新區(qū)塊頭的哈希值小于某個(gè)指定的值，即區(qū)塊頭結(jié)構(gòu)中的“難度目標(biāo)”
Hash (block_header) < Target
從公式中我們可以看到，PoW下所有礦工的目標(biāo)值是一樣的，只要計(jì)算結(jié)果哈希小于目標(biāo)值即可，簡(jiǎn)化來(lái)看就是前導(dǎo)0的個(gè)數(shù)。
而在PoS系統(tǒng)中，這個(gè)公式變更為：
Hash (block_header) < Target * CoinAge
我們可以看出多引入了一個(gè)變量叫做CoinAge，也就是幣齡，這里就有意思了。
這個(gè)變量為會(huì)造成每個(gè)礦工看到的目標(biāo)值不一樣，如果你的幣齡越大，也就意味著你的獲得答案越容易。這里的Target與PoW一致，與全網(wǎng)難度成反比，用來(lái)控制出塊速度的。
例如當(dāng)前全網(wǎng)的目標(biāo)是4369，A礦工的輸入的幣齡是15，那么A礦工的目標(biāo)值為65535，換算成十六進(jìn)制就是0xFFFF，完整的哈希長(zhǎng)度假設(shè)是8位，也就是0x0000FFFF。
而B礦工比較有錢，他輸入的幣齡是240，那么B礦工的目標(biāo)值就是0x000FFFFF。你如果仔細(xì)觀察肯定會(huì)發(fā)現(xiàn)，相比A礦工的目標(biāo)值，B直接少了一個(gè)零。即如下：
A 礦工 Hash( block_header ) < 0x0000FFFF
B 礦工 Hash( block_header ) < 0x000FFFFF
所以B礦工獲得記賬權(quán)的概率肯定要比A高。
PoS的相關(guān)問(wèn)題
通過(guò)上述的介紹我們知道：PoS似乎完美地解決了PoW挖礦資源浪費(fèi)的問(wèn)題，甚至還順帶解決了51%攻擊的問(wèn)題，這里可以順便講一下51%攻擊是什么，它是指PoW礦工如果積累了超過(guò)51%的算力，則可以一定程度篡改賬本。
這里順便科普一下，什么是51%攻擊呢，我們發(fā)現(xiàn)，礦工挖礦的成本不再是物理設(shè)備和電費(fèi)，而是虛擬代幣，它的邊際成本幾乎為零，本質(zhì)上PoS讓挖礦者和使用者合二為一了。
這也意味著如果挖礦者發(fā)起51%攻擊，就需要擁有全網(wǎng)51%的幣或幣齡，這幾乎不可能辦到，即使你成功地實(shí)施了51%攻擊，那么也意味著作為全網(wǎng)最大的持幣大戶的你，損失也會(huì)最大。
PoS看起來(lái)相當(dāng)完美，其實(shí)并不然，PoS有很多缺陷。
PoS遇到的第一個(gè)問(wèn)題就是幣發(fā)行的問(wèn)題。一開始的時(shí)候，只有創(chuàng)始區(qū)塊上有幣，意味著只有這一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以挖礦，所以讓幣分散出去才能讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)壯大，那么如何分散出去又是另外一個(gè)難題了。
所以早期PoS幣種基本都采用了分階段挖礦，有的叫混合挖礦。很多幣種其實(shí)是分了階段的，即第一階段是PoW挖礦，到第二階段才是PoS挖礦。
隨著ERC20類型的標(biāo)準(zhǔn)合約代幣的出現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題被解決了，不再需要第一階段改成PoW，也可以將代幣分散出去。
第二個(gè)問(wèn)題是由于幣齡是與時(shí)間掛鉤的，這也意味著用戶可以無(wú)限囤積一定的幣，等過(guò)了很久再一次性挖礦發(fā)起攻擊；所以解決方案是：PoS機(jī)制需要引入一個(gè)時(shí)間上限來(lái)控制時(shí)間因素的自然增長(zhǎng)。
第三個(gè)問(wèn)題是雖然引入了時(shí)間上下限，用戶還是傾向于囤積代幣，這會(huì)造成幣流通的不充分；基于此，所以瑞迪幣引入了幣齡按時(shí)間衰減，構(gòu)造了權(quán)益速度證明，鼓勵(lì)用戶流動(dòng)代幣，而不是傾向于囤積代幣。
第四個(gè)問(wèn)題是離線攻擊，即使引入了時(shí)間上下限，時(shí)間仍然是自然流動(dòng)的，也就是可以不需要求挖礦節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間在線。挖礦是可以離線的，這簡(jiǎn)直是災(zāi)難，所以任意一個(gè)PoS機(jī)制的實(shí)踐形式都必須避免這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的多少直接關(guān)系到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的健壯性。
當(dāng)然這些問(wèn)題都不是致命問(wèn)題，還記得我們一開始提到了PoS經(jīng)歷了三個(gè)版本，而第二個(gè)版本PoS 2.0使用的不是幣齡，而直接是幣的數(shù)量。
這會(huì)造成完全不同的結(jié)果，上述第二、三、四問(wèn)題都不存在了，似乎看起來(lái)直接使用幣的數(shù)量會(huì)更好一些，但卻出現(xiàn)了整個(gè)PoS機(jī)制的致命問(wèn)題。
這個(gè)問(wèn)題叫做Nothing at Stake，翻譯過(guò)來(lái)叫做無(wú)成本利益問(wèn)題。大體的意思在PoS系統(tǒng)中做任何事幾乎沒有成本，比如在PoS系統(tǒng)上挖礦幾乎沒有成本，這也就意味著分叉非常方便。
方便到什么程度呢，每個(gè)誠(chéng)實(shí)礦工在產(chǎn)生孤塊的時(shí)候都可以繼續(xù)挖下去，反正也沒什么成本，反正分叉鏈和主鏈都可以同時(shí)挖，也就是任何持幣較少的用戶都可以嘗試分叉，并且把分叉鏈廣播出去。
這個(gè)時(shí)候如果其他誠(chéng)實(shí)礦工看到了，第一反應(yīng)也是沒有成本，那么咱們也來(lái)挖吧，說(shuō)不定什么時(shí)候就值錢了，意思就是說(shuō)任何逐利的礦工并不會(huì)使這個(gè)系統(tǒng)變得更強(qiáng)壯穩(wěn)定，而是更加的混亂。
無(wú)成本利益問(wèn)題無(wú)論以幣齡還是幣數(shù)量作為PoS的參數(shù)，都無(wú)法避免。
而PoW則沒有這樣的問(wèn)題，我們回到PoW系統(tǒng)中來(lái)看，因?yàn)槿魏蔚姆植娑紩?huì)造成挖礦成本直接變成負(fù)收益，所以這會(huì)抵抗分叉的產(chǎn)生，礦工傾向于跟隨“最長(zhǎng)”的鏈。
由于以太坊部分采用了PoS共識(shí)，它的名字叫做Casper，它必須解決上述無(wú)成本利益問(wèn)題攻擊。所以Casper協(xié)議要求PoS礦工需通過(guò)抵押保證金的方法對(duì)共識(shí)結(jié)果進(jìn)行下注，具體實(shí)踐結(jié)果我們還需要拭目以待。
總結(jié)
最后我們來(lái)總結(jié)一下PoS共識(shí)機(jī)制，PoS的區(qū)塊鏈系統(tǒng)無(wú)需外部物理輸入，所以它相比PoW更為環(huán)保不費(fèi)電，并且礦工就是使用者，這會(huì)在一定程度上抵御了51%攻擊，所以基于PoS機(jī)制的數(shù)字貨幣屬于理想狀態(tài)的數(shù)字貨幣。
PoS的缺點(diǎn)是缺乏工業(yè)級(jí)的區(qū)塊鏈應(yīng)用，從邏輯上來(lái)看有點(diǎn)循環(huán)自證明的味道，就是用自己的幣來(lái)維護(hù)系統(tǒng)的安全，而幣的安全性是由系統(tǒng)保證的，所以現(xiàn)階段PoS共識(shí)機(jī)制往往不是獨(dú)立運(yùn)行的，而是混合了PoW一起運(yùn)行，這就可以彌補(bǔ)PoS的缺陷。
PoS共識(shí)機(jī)制目前也出現(xiàn)了礦池，也可能會(huì)出現(xiàn)中心化挖礦的風(fēng)險(xiǎn)。
雖然PoS共識(shí)機(jī)制未來(lái)變數(shù)依然很多，但它的可塑性比PoW好，技術(shù)上的探索空間大，目前PoS幣種相比較PoW幣種風(fēng)險(xiǎn)也較高。
