什么是權(quán)益證明PoS與PoW相比的優(yōu)勢是什么

權(quán)益證明 (PoS) 代表一類共識算法，其中驗(yàn)證者 (validators) 會對下一個(gè)區(qū)塊進(jìn)行投票，而投票的權(quán)重取決于投票者的權(quán)益大小。由于更低的能耗，更少的中心化風(fēng)險(xiǎn)，抵御不同類型的 51% 攻擊的安全性等等，權(quán)益證明被認(rèn)為是對工作量證明（PoW）的改進(jìn)。

PoS 算法可以被分類成兩大類：

基于鏈的 PoS：依賴于網(wǎng)絡(luò)的同步性；

基于 BFT (拜占庭容錯) 的 PoS：優(yōu)先考慮節(jié)點(diǎn)的一致性而不是可用性。

在以太坊 2.0 中，為了參與投票（即成為一名驗(yàn)證者），你需要質(zhì)押 ETH。為此，你將會獲得部基于某個(gè)利率 (收益率) 的額外 ETH 獎勵以及部分網(wǎng)絡(luò)交易費(fèi)。

權(quán)益證明 (PoS) 是什么？

權(quán)益證明 (PoS) 是一類依賴于驗(yàn)證者網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)濟(jì)權(quán)益的公鏈共識算法。在基于工作量證明 (PoW) 的公鏈（例如比特幣和當(dāng)前的以太坊）中，PoW 算法會獎勵解決密碼學(xué)難題的參與者以驗(yàn)證交易與創(chuàng)建新區(qū)塊 (即挖礦)。在基于 PoS 的公鏈（例如以太坊即將推出的 Casper 實(shí)現(xiàn)）中，一組驗(yàn)證者輪流對下一個(gè)區(qū)塊進(jìn)行提議和投票，而且每個(gè)驗(yàn)證者投票權(quán)重取決于其押金 (即權(quán)益) 大小。PoS 的顯著優(yōu)勢包括安全性，減少的中心化風(fēng)險(xiǎn)以及節(jié)能。

總的來說，PoS 算法看起來是這樣的：區(qū)塊鏈會追蹤一組驗(yàn)證者，而且持有區(qū)塊鏈基礎(chǔ)加密貨幣 (在以太坊的情況下是 ETH) 的任何人都可以通過發(fā)送一筆特殊類型的交易來成為驗(yàn)證者，該交易會把他們的 ETH 鎖定為押金。然后，創(chuàng)建新區(qū)塊和對區(qū)塊達(dá)成共識的過程是通過一個(gè)共識算法來完成，所有當(dāng)前的驗(yàn)證者都能夠且應(yīng)該參與其中。

共識算法有很多類型，而且給參與共識算法的驗(yàn)證者分配獎勵的方式也有很多種，所以存在著多種「風(fēng)格」的 PoS。從算法的角度來看，主要有兩類：基于鏈的和 BFT (拜占庭容錯) 的 PoS。

在基于鏈的 PoS 中，算法會在每個(gè) slot (例如，每 10 秒的周期可能是一個(gè) slot) 期間偽隨機(jī)地選擇一個(gè)驗(yàn)證者，分配該驗(yàn)證者創(chuàng)建單個(gè)區(qū)塊的權(quán)利，且該區(qū)塊必須指向某個(gè)前面的區(qū)塊 (通常是前面最長鏈末端的那個(gè)區(qū)塊)。因此，隨著時(shí)間推移，大部分區(qū)塊組成單條持續(xù)增長的鏈。

在基于 BFT (拜占庭容錯) 的 PoS 中，驗(yàn)證者被隨機(jī)地分配提議區(qū)塊的權(quán)利，但是會通過一個(gè)多輪的過程來就哪個(gè)區(qū)塊是權(quán)威規(guī)范的區(qū)塊達(dá)成共識，在該過程中，每個(gè)驗(yàn)證者會對每一輪的某個(gè)特定區(qū)塊進(jìn)行「投票」，在此過程結(jié)束時(shí)，所有 (誠實(shí)和在線的) 驗(yàn)證者將對任何給定的區(qū)塊是否成為區(qū)塊鏈的一部分達(dá)成永久性共識。請注意，區(qū)塊或許依然會被鏈接在一起，但其中的關(guān)鍵區(qū)別就是，基于 BFT 的 PoS 中，區(qū)塊的共識在一個(gè)區(qū)塊內(nèi)達(dá)成，而不需要依賴它身后鏈的長度或大小。

與 PoW 相比，PoS 的優(yōu)勢是什么？

不需要消耗大量的能量來確保區(qū)塊鏈的安全。(據(jù)了解，比特幣和以太坊每天消耗超過 100 萬美元的電力和硬件成本作為它們共識機(jī)制的一部分)

由于缺乏對高耗能的要求，PoS 沒有必要為了激勵參與者繼續(xù)持續(xù)參與網(wǎng)絡(luò)而增發(fā)那么多新幣。理論上，PoS 甚至可能出現(xiàn)凈發(fā)行呈負(fù)數(shù)的情況，這種情況下，交易費(fèi)的一定比例被「銷毀」，從而久而久之減少供應(yīng)量。

PoS 為使用博弈論機(jī)制設(shè)計(jì)的更廣泛的技術(shù)打開了大門，以便有效地阻止中心化壟斷的形成，且如果這些技術(shù)成型，也能夠阻止對網(wǎng)絡(luò)造成損害的行為 (比如 PoW 中的自私挖礦)。

減少中心化風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)閹缀醪淮嬖谝?guī)模經(jīng)濟(jì)的問題。在 PoW 機(jī)制中，價(jià)值 1000 萬美元的投入將為你帶來 10 倍于價(jià)值 100 萬美元投入的回報(bào)，而不會帶來任何額外的不成比例的收益，因?yàn)樵诟叩乃缴?，你可以?fù)擔(dān)得起更好的大規(guī)模挖礦設(shè)備，這是 PoW 中的一種「優(yōu)勢」。

能夠使用經(jīng)濟(jì)懲罰去讓各種類型的 51% 攻擊的成本比在 PoW 中實(shí)施要昂貴得多。套用 Vlad Zamfir 的話說，「如果你參與了一次 51% 攻擊，你的 ASIC 礦場就如同被被摧毀了一樣」。

對 Casper 權(quán)益證明的 51% 攻擊會是怎樣的？

51% 攻擊有四種基本的類型：

最終性回滾 (finality reversion)：已經(jīng)敲定了區(qū)塊 A 的驗(yàn)證者后續(xù)敲定相互矛盾的區(qū)塊 A，從而打破了區(qū)塊鏈的最終性保證。

敲定無效區(qū)塊：驗(yàn)證者敲定了無效 (或不可用) 的區(qū)塊。

活性拒絕攻擊：驗(yàn)證者停止敲定區(qū)塊。

審查：驗(yàn)證者阻止部分或所有的交易 / 區(qū)塊被包含進(jìn)區(qū)塊鏈。

在第一種情況中，用戶可以社交的方式帶外協(xié)商，就哪個(gè)敲定的區(qū)塊最先出現(xiàn)達(dá)成共識，并支持該區(qū)塊。第二種情況可以利用欺詐證明和數(shù)據(jù)可用性證明來解決。第三種情況可以被對 PoS 算法的修改解決，即如果節(jié)點(diǎn)沒有參與共識，那么該算法會逐漸削減（「泄漏」）非參與節(jié)點(diǎn)在驗(yàn)證者集合中的權(quán)重。Casper FFG 的論文包含了對這種情況的描述。

第四種情況是最難解決。第四種情況可以通過一種「少數(shù)派軟分叉」的方式修復(fù)，其中少數(shù)誠實(shí)的驗(yàn)證者就大多數(shù)驗(yàn)證者在審查他們達(dá)成了共識，并停止繼續(xù)在當(dāng)前的鏈上創(chuàng)建區(qū)塊；相反，這些誠實(shí)的少數(shù)驗(yàn)證者將會繼續(xù)搭建自己的鏈，并最終通過上述的「泄露」機(jī)制來確保這些誠實(shí)的少數(shù)驗(yàn)證者將會成為新鏈中的 2/3 絕對多數(shù)驗(yàn)證者。那時(shí)，市場將會傾向于支持由這些誠實(shí)驗(yàn)證者控制的新鏈，而不是由不誠實(shí)節(jié)點(diǎn)控制的舊鏈。

ETH2.0 中的 Staking 邏輯

01. 為什么我會想質(zhì)押我的 ETH？

因?yàn)橘|(zhì)押 (stake) 了你的 ETH 及為正確的區(qū)塊作證，你將通過網(wǎng)絡(luò)利率 (即驗(yàn)證者的收益率) 和部分網(wǎng)絡(luò)交易費(fèi)的形式來獲取 ETH 獎勵。詳情見這里。下圖是當(dāng)前被提議的 ETH 最大年增發(fā)率和驗(yàn)證者的最大年收益率：

圖源：EthHub

需要注意的是，根據(jù) Vitalik Buterin 的說法，上圖這些是最大的數(shù)字，有許多因素可能會減少 ETH 的總發(fā)行量。這些因素包括：

驗(yàn)證者離線。將個(gè)人懲罰和集體懲罰結(jié)合起來說，每 1% 的驗(yàn)證者離線將減少約 3% 的總發(fā)行量，如果超過 33% 的驗(yàn)證者同時(shí)下線，許多 ETH 很快就會 (因懲罰) 被銷毀。

驗(yàn)證者被罰沒 (slashing)。這種情況在實(shí)際中可能很少發(fā)生。

ETH 交易費(fèi)由于 EIP 1559 而被銷毀。根據(jù)此提案，預(yù)計(jì)前期當(dāng) ETH2.0 網(wǎng)絡(luò)的使用率較低時(shí)，將有大約 10,000 ETH/ 年 的交易費(fèi)被銷毀；最終有可能會上升至每年銷毀數(shù)十萬 ETH 交易費(fèi)。

交易費(fèi)用于支付狀態(tài)租金而被銷毀。這種機(jī)制可能會整合進(jìn) ETH2.0 的 gas 機(jī)制中，因此基于 EIP 1559 被銷毀。

根據(jù) Justin Drake 的說法，基于上述因素，可能帶來的結(jié)果是，如果 ETH2.0 中質(zhì)押了約 30,000,000 ETH，那么網(wǎng)絡(luò)的年通脹率 (增發(fā)率) 將約只有 0.5%，相應(yīng)的驗(yàn)證者年收益率將約是 5%。

02. Staking 的最低要求是什么？

每個(gè)驗(yàn)證者至少質(zhì)押 32 ETH

具有足夠硬件規(guī)格的計(jì)算機(jī)

連接互聯(lián)網(wǎng)

03. 我需要運(yùn)行什么軟件來參與 Staking？

當(dāng)考慮在以太坊上質(zhì)押時(shí)，需要了解兩種主要的軟件類型：

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)：這是驗(yàn)證者的樞紐

存儲規(guī)范狀態(tài)，處理點(diǎn)對點(diǎn)和傳入的同步請求，廣播區(qū)塊和進(jìn)行區(qū)塊證明。

擁有一個(gè)客戶端可以連接的 gRPC 服務(wù)器并提供一個(gè)公共 API。

驗(yàn)證者客戶端：與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信并對區(qū)塊簽名。你可以在每個(gè)客戶端質(zhì)押 32 ETH。

存儲重要的秘密信息，如 RANDAO 揭示，共享數(shù)據(jù)的托管證明以及 BLS 私鑰。

可以有效地切換底層信標(biāo)節(jié)點(diǎn)

追蹤驗(yàn)證者已經(jīng)簽名的共享狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)塊。

這意味著可能有三種需要運(yùn)行的軟件組合：

僅運(yùn)行信標(biāo)節(jié)點(diǎn)

運(yùn)行信標(biāo)節(jié)點(diǎn) + 驗(yàn)證者客戶端

運(yùn)行信標(biāo)節(jié)點(diǎn) + 多個(gè)驗(yàn)證者客戶端

04. 運(yùn)行軟件的硬件要求是什么？

仍待定。理想情況下，我們只需達(dá)到上述三種設(shè)置的最低要求。(備注：根據(jù)此前以太坊 2.0 研究者 Justin Drake 的說法，預(yù)計(jì)驗(yàn)證者客戶端將可以「毫不費(fèi)力地」在 Raspberry Pi (樹莓派) 硬件 (4GB RAM) 上運(yùn)行。)

05. 如果我在參與 Staking 時(shí)連不上網(wǎng)，會發(fā)生什么？

成為一名驗(yàn)證者的關(guān)鍵在于保證你始終可以給區(qū)塊投票 (也即證明區(qū)塊)，從而保證了網(wǎng)絡(luò)的安全。因此，如果你的驗(yàn)證者客戶端在任何時(shí)候離線了，為了激勵驗(yàn)證者的可用性，這里會有相應(yīng)的懲罰，懲罰大小視情況而定。這會發(fā)生在在兩個(gè)場景中：

如果區(qū)塊正在敲定并且你處于離線狀態(tài)，那么你會在一年內(nèi)損失 x% 的質(zhì)押金，其中 x% 為當(dāng)前的驗(yàn)證者年利率。例如，如果當(dāng)前驗(yàn)證者年利率為 5%，那么你每天將損失 0.0137% 的押金 (備注：5%/365 = 0.0137%)，但你在線時(shí)每天將獲得這些獎勵。

如果區(qū)塊無法被敲定（即超過 33% 的驗(yàn)證者離線）且你也處于離線狀態(tài)，那么你會在 18 天內(nèi)損失 60% 的押金。

如果你的押金在任何時(shí)候下降到 16ETH 一下，那么你將會被完全從驗(yàn)證者集合中刪除。

06. 如果我參與 Staking，我的 ETH 會被鎖定多長時(shí)間？

當(dāng)想從驗(yàn)證者取回 ETH，那么你會被放入一個(gè)取款隊(duì)列。如果沒有隊(duì)列，那么最短的贖回時(shí)間為 18 小時(shí)，時(shí)間會根據(jù)當(dāng)時(shí)正在取款的人數(shù)動態(tài)調(diào)整。
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