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两种共识机制对比（PoW vs PoS）

区块链中最核心的架构就是共识机制，可以说是区块链的驱动引擎，发展这么多年，目前主流比较明确经得住考验的就只剩下PoW(Proof of Work)与PoS(Proof of Stake)两种机制。简单概述下，PoW系统的特点是通过消耗大量算力来计算特定算法的解（典型如哈希），第一个算出结果的有权生成区块，同时也会得到coin作为奖励（这也是coin的生产与分发过程，形象地称为Mining），采用PoW的典型区块链有Bitcoin和Ethereum，目前PoW也是运行时间最长，被公认为是最可靠安全的共识机制；其本质是通过消耗大量算力来实现系统内的逆熵过程，保证系统的长期安全与稳定。但PoW被广为诟病的也是其消耗太多的能源资源，这方面PoS就被认为是更为绿色的解决方案，顾名思义PoS是通过质押系统中的资产即coin来成为一个质押者（staker），这样就有权产出区块，质押份额越多，获得产出区块权的概率就越高，也代表着奖励越多。

在分布式系统中有一个 CAP 定理，是指一个分布式系统中存在着三元悖论，即不可能同时满足这三个特性：一致性(Consistency)、可用性(Availability)和分区容错性 (Partition tolerance)，而只能满足其中两个。区块链作为一种分布式网络，这个定理也逐渐演变成了区块链的三元悖论，即安全性(Security) 、去中心化(Decentralization) 和可扩展性 (Scalability) ，也是同时只能满足两个特性。

整体上看PoW系统更注重的是安全性(Security) 与去中心化(Decentralization) ，放弃可扩展性 (Scalability) ，这也是Bitcoin网络的吞吐量非常慢的原因。而PoS系统更关注的是可扩展性 (Scalability) 与去中心化(Decentralization) ，但就PoS能否真的实现去中心化(Decentralization) ，我是比较持怀疑态度的。从保守主义与系统的更长期稳定的角度出发，我个人是坚定地站在PoW这边的，可能跟自身保守的性格有关，并不是特别看好PoS作为基础层能比较稳定。特别是像这次 5月份的Luna事件，事件大概的过程是Luna链上的算法稳定币UST缺乏价值支撑最终脱锚，其核心问题在于UST的锚定设计试图用一个PoS股权系统去支撑其锚定美元，而且还超发了太多UST，再加上UST与Luna的兑换设计缺陷最终导致Luna自身的死亡螺旋。但这个事件更大的意义应该是敲响了一个警钟，PoS机制在面对空头资本砸盘时真的还能维持稳定、维持所谓的去中心化吗？可能到时节点数量萎缩的速度会很快，逐渐趋于中心化。

所有系统设计都需要根据自身定位来折中，以下从价值锚定的角度，简单分析下为什么长期来看PoW会更有优势。

在PoW系统中三股主要的参与者分别是研发人员，投资者（或者叫用户）与Miner，这三者的相互制衡，使得这个系统达到一个稳定平衡的状态。而PoS系统中，将Miner这个重要的制衡力量移除了，投资者和Miner变成了同一群体质押者（stakers），因此该群体滥用权力的行为会变得相对不受限制，并且该链随后的发展方向也可能会更加不平衡，更容易倾向有利于质押者（stakers）群体的方向。

PoW系统很好的阐述了什么是被普遍认可的价值，抽象上来看就是高代价的稀缺性，高代价与稀缺性两者缺一不可。PoS最多只能实现其中一个稀缺性。

Miner为了在链上生产区块赚取coin，不仅需要持续支付高额电力成本，还必须不断投入研发、升级硬件、优化基础设施和运营规模来保持其竞争力。最终结果是，能够长期持续盈利的Miner并不会是一个一层不变的群体，而是总在竞争中淘汰掉效率太低的Miner，使高效率的Miner能存活下来。这也更有利于去中心化(Decentralization) ，因为不断变化的Miner群体意味着没有一个Miner可以在相当长的时间内保持网络的大部分算力，除非他们通过严酷的竞争考验，不断优化自身来提供更多的算力。

而PoS系统中的质押者实际上并多少真正的风险投入，也没有优胜劣汰的严酷竞争机制，他们只需要简单地运行一个staker节点就可以躺着赚利息，本质上只是将自己在银行系统里的钱简单的转化为链上资本，就可以坐地收割后进入这个系统的新人。这种行为并没有太多难度，只是简单地赚取“无风险”利息，他们并没有将资本转化为任何形式的需要面临风险考验的投资。

而且当发生硬分叉时，PoW的Miner选择支持哪条链时会更为谨慎，因为他们需要投入高昂的电力成本来为他们的选择背书，一旦选错了将损失所有投入成本。PoS系统如果发生硬分叉，质押的coin作为系统内部状态的一部分，硬分叉后质押者将在两条不同链上都拥有相同数量的资产，由于没有什么沉默成本，导致质押者更愿意两边都支持，从而使硬分叉更容易且更频繁地出现，这被称为 nothing at stake 问题。

PoW是真正能做到无准入限制的(Permissionless)，就是说已经在这个系统中的老人无法限制新人加入，只要你有能力提供算力，就能直接接入网络中产出coin。而PoS系统中，新人要进入，都不得不先从老人手中买coin。

而且PoW中Miner为了支付各种高昂成本（电力，设备，基础设施等），产出coin后也不得不卖出一些以弥补成本，这同时也是一种把coin分发给更多人的过程；特别是在熊市，Miner为了维持开销也不得不低价贱卖coin，这样新人才有机会以相对低的成本获得筹码入场，这才是一个健康的生态扩张过程。而PoS中由于质押者并没有什么运行成本，也不需要面对太多竞争，质押者出块得到coin后不需要急着卖出，更容易哄抬价格，其实会变相激励场内老人剥削新入场者，不给后来人更多机会；整个系统会趋向于更封闭，逐渐演变成一个有限游戏，长期运行下去只会越来越中心化；系统中财富越来越集中，富者更富，穷者更穷，从而更不可能实现去中心化(Decentralization) 。

由于PoW系统中是以提供工作量的方式产出区块的，随着时间的推移这些工作量都会被累积起来并使链不断向前延伸，这也是为什么叫区块链；这些累积的工作量也给攻击者造成了巨大障碍，如果想要反转整条链，不仅需要非常高的算力，还需要相当长的时间，这也为应对攻击提供了足够长的时间缓冲。

而PoS系统其实只是维护一个分布式账本，并没有工作量累积的概念，一旦攻击成功，要反转整条链就是相当容易的，几分钟就可以搞定。

严格来说由PoW算力支撑的BTC不应归为高科技类，由于它整个系统架构更保守更稳定，提供的更多的是一种物化价值(objective costliness) ，更能作为价值之锚，所以数字黄金这个称号很贴切。而像ETH（目前还是PoW，2.0升级后为PoS）这些更接近科技类创新平台，PoS本质上更像是一种股权系统，其实PoS系统反而是需要中心化，偏向更依靠整个社区的生命力，需要依靠核心团队的创新与开拓能力往前走；而PoW则需要去中心化，更偏向稳定与提供物化价值(objective costliness) 。

区块链作为一个价值分配系统，算力是它的价值之锚，如果没有算力，就会退化为一个股权系统。算力在哪，资金就会跟去哪。目前的发展趋势也是逐渐往多层网络的方向发展，类似TCP/IP的多层协议栈。从作为基础层(Base Layer)的角度看，更需要的是长期稳定与提供价值支撑，因此PoW系统更合适；而PoS可能更多的是可以作为Layer2以实现可扩展性 (Scalability) ，弥补PoW基础层的吞吐量不足，并通过锚定在PoW基础层上来获取算力安全性与价值支撑。

最后顺带说下最近市场行情，5,6月份以来的瀑布令很多人很恐慌，恐慌指数一度长时间停留在个位数；其实我觉得也没必要那么恐慌，要在这个圈子长期活下去，面对这种大波动的心理预期还是要有的。想起之前红杉资本的沈南鹏经常提到一个词Grit，沙砾，它是砾石在千万次打磨后留下来的细小颗粒；Grit代表了勇气和持之以恒的一种坚持，有种经常被按地上摩擦但依然勇往直前的感觉。这个和塔勒布讲的反脆弱性有异曲同工之妙，承载价值的东西就应该具有这种品质，PoW系统肯定是有反脆弱性的。

回望2017年入圈后经历过的各种事件，其实像这样的大波动近乎每年都有（除了2019年一年比较顺利外）；像2017年国内的94事件，2018年一整年的大熊市，2020的312事件，2021的519事件，再到2022今年的5,6月份市场转熊，每次经历大波动后，市场都会淘汰掉该淘汰的，出清掉该出清的风险，对整个行业发展也是好事。眼光还是应该放远一点，至少看5到10年后的变化，科技发展过程中所带来的波动和风险是不可避免的，日光之下无新鲜事，每次科技革命过程中总会夹杂着众多的反对、质疑，还有众多的投机、骗局；这个过程也总是通过各种暴雷、回归，清除泡沫后价值重估，夯实了基础后积蓄能量再次进入跃升到新的发展阶段。价值互联网的到来是一件无法回避的事情，当理解和看清了这种趋势后，规避掉各种坑和市场噪音，远离合约杠杆和各种山寨的诱惑，握住核心资产，时间本身就会带来回报。

在公链项目早期，为什么PoW是一个更好选择？

在传统的互联网公司或金融机构中，如果一家公司，在一年之内，被委托的交易结算的总量为万亿美元的话，这家公司要么拥有可靠的技术和雄厚的资本，要么就是其它大公司及政府为其信用来做背书。而比特币却在没有政府或公司背书的情况下，在过去一年内支持了相当于一万亿美元的交易。这是因为比特币的工作量证明（PoW）机制确保了全世界的比特币矿工以点对点的方式去分布式地维护账本，且保证了其正确性和不可篡改性。

实际上，PoW 协议并不完美，它在运行过程中需要消耗大量的能量来计算哈希函数的结果，以保护区块链系统不被攻击。很多人认为这是一种“无用的能源消耗”。为了避免这种消耗，股权证明协议(PoS)便作为替代方案被提出。包括以太坊在内的几个著名的项目也开始探索股权证明协议(PoS)，甚至有人认为，PoS协议在未来将完全取代PoW协议。

但是，在对PoS 协议进行了深入的技术剖析之后，我们会发现：在一个公链项目的早期阶段，PoS 协议会带来很多问题，而这些问题在PoW协议下是可以避免。首先，使用PoS协议启动主网的公链项目，会不可避免地存在共识中心化的问题，因为主网上线的时候股权分布往往是相对集中的。此外，纯 PoS 协议还面临着远程攻击(Long Range attack)的威胁。最严重的远程攻击会导致新加入的节点必须信任一些中心化的网站给出的信息，而这会导致 PoS 公链成为一个本质上中心化的网络。去使用PoW协议启动主网的区块链则可以实现分散的共识，从而避免这些问题。当PoW公链经过一段时间的发展，股权分布相对分散以后，还可以选择PoW/PoS复合机制。

除此之外，还有一点值得注意的是，很多人误以为比特币的扩容问题是PoW机制的局限性造成的。我们经常在媒体网站或白皮书中看到这样的句子，“比特币因为使用了PoW机制，所以只能处理每秒3-7笔交易”。而事实上，经过适当的设计，例如，GHOST, Conflux 这样的PoW算法可以显著提高出块效率，达到每秒处理数千笔交易，且每笔交易都能得到全网节点的验证。

PoW v.s. PoS：如何确定投票权

关于PoW和PoS之间的主要区别，就是在于如何确定区块链共识中的投票权。在PoW中，系统中的投票权与节点的计算能力成正比。每秒可以计算哈希函数次数越多，节点就越有可能赢得区块链中下一个区块的出块权。而在PoS中，系统的投票权与持有的股权比例成正比。节点拥有资金越多，能为确定的下一个区块投的票数就越多。

在公链早期阶段，股权中心化将导致共识中心化

对于一个公有链来说，其上线初期往往是股权最集中的时候。在主网上线伊始，创始块中分配的币绝大多数属于项目方和私募投资人，而这些人的数量往往非常有限。对于PoW共识机制，初始股权的集中不会带来安全性问题，因为它的出块和安全性不依赖于股权持有的分散，而是依赖于算力的分散。对于使用反 ASIC 矿机的挖矿算法的公有链来说，任何人只要拥有显卡和网络就可以成为矿工，这有助于促进更多人参与挖矿，实现早期算力的分散。只要超过50%的算力来自于诚实的矿工，区块链中的交易就是安全不可逆转的。

然而，在PoS共识机制下，股权集中会导致共识协议的参与者集中。区块链的出块权只能由少数在创世块中拥有股权的玩家决定。如果这些人合谋对区块链进行攻击，则完全可以成功的实现双花攻击(Double spending attack). 尽管开发者和投资人出于利益考虑不会进行这样的攻击来摧毁他们自己的公链，但PoS公链也无可避免的在主网上线后就被这些人垄断和支配。更糟的是，如果出块可以获得大量奖励和交易费用，这些垄断者就会将大量股权牢牢控制在自己的手里，使得PoS公链成为一个本质上由巨头控制的网络。

我们不要忘了，区块链的核心价值是什么？是去中心化的共识协议，保证了区块链系统中每笔交易的正确性、不可篡改性。如果共识协议无法保证参与者的分散，区块链就无法做到无需信任的安全性，那么区块链和传统的分布式系统相比就没有任何优势了，甚至传统的分布式系统能做得更经济更高效。因此，公链项目在早期使用PoW, 是避免共识中心化，保护区块链核心价值的明智选择。

“长程攻击”与“主观依赖”问题

在一个公有链中，一个攻击者如果拥有当下足够多的算力或股权，无疑是可以打破公有链安全性完成攻击的。但是在PoS 公链中，如果攻击者获得了一些账户的私钥，这些私钥在历史上某一时刻控制了超过51%的股权，也可以完成攻击，这种攻击的方式被称为长程攻击（Long Range Attack）。

在长程攻击中，攻击者首先获得一些私钥，只要这些私钥在历史上曾经获得了足够多的股权，便可以从这一时刻开始分叉进行51% 攻击，制造一条分叉链出来。而 PoS 的出块不需要进行工作量证明，攻击者可以短时间内让重写历史的分叉链追赶上原本的主链，从而造成PoS链的分叉和防篡改性被打破。

攻击者能够取得这些私钥不是天方夜谭。如果PoS公链的早期投资人在二级市场将持有的代币卖掉后，将账户私钥卖给攻击者，攻击者就可以从创世块进行长链攻击，从而可以打破一个链的安全性。如果一些投资者追求短期收益而非价值投资，攻击者从他们手里获得私钥就成为了一个可能的事情。

而为了应对长程攻击，则有各种各样的解决方案被提出：例如使用密钥演化算法更新密钥，以避免密钥被盗。但是如果早期投资者一开始就决定通过出售私钥获利，那么他完全可以保留密钥种子以绕开这一限制。还有一些解决方案基于这样一个事实：如果攻击者挖了一条完全不同的链，长期在系统中运行的节点或许有能力探测出这种异常。但是，这些方案依然存在如下问题：

PoS 长程攻击造成的分叉与 PoW 的分叉有所不同。PoW 的分叉链难以获得比特币全网算力，比特币矿工很容易从总算力中辨别谁是真正的比特币。鉴于PoS共识协议在实际运行时，绝大多数股权持有者只是区块链的使用者，并不会一直运行一台服务器。攻击者只要在一个历史节点拥有了相当与PoS实际参与者的股权比例，就可以制造出一条难以辨别的分叉链出来。配合女巫攻击（Sybil Attack），攻击者可以从区块历史和节点数量上都获得和被攻击主链接近的水平，令新加入的节点无法区分，只能通过人工指定的方式选择。这样新参与者必须咨询受信任节点来安全地加入系统，这一问题被称为“主观依赖”（Weak Subjectivity）

无利害攻击

无利害攻击（Nothing at Stake）是另一种PoS攻击方式。当一个 PoS 链因为网络延迟、长程攻击或其他原因出现分叉时，PoS 矿工可以选择在两个分叉的链上同时出块，以获取最大收益。而这违反了共识协议。

在PoW 链中，如果一个矿工想同时在多个分叉上挖矿，就必须将自己的算力分散在多个分叉上，所有分叉上分配的算力总和不会超过矿工拥有的总算力。对于多数矿工而言，将自己的全部算力投入到协议指定的链上是最优的选择。

然而，在PoS 多个分叉上同时出块所带来的额外成本可以忽略不计，而选择同时出块可以保证无论哪一条分叉链最终胜出都可获得收益。如果矿工遵守共识协议，只在协议指定的链上挖矿。一旦这个链被丢弃，矿工将会失去挖矿奖励。只追求挖矿收益最大化的矿工会在两边同时参与，不惜因此打破协议——这会导致链长时间维持分叉的状态。

与长程攻击不同，精巧的激励机制设计可以避免这一攻击。但无利害攻击依然表明让PoS链正确地运行是一件很困难的事情。

总结

虽然PoS 具有节省能源等优势，从而很多项目表示将采用PoS。但我们在分析区块链安全性假设后发现，避免了计算“无用的哈希”之后会引入很多攻击情形，而且目前没有很完美的解决方案。诚然PoS有能源效率的优势，但也带来了很多安全性威胁。在PoS很好地解决这些威胁之前，PoW消耗的能源，就像和平时期国家军队用掉的军费一样，阻挡了很多潜在的威胁。最重要的是，其中许多威胁在区块链项目早期显得尤其致命。这也是我们为什么相信新的公链项目应该从PoW开始。

POW & POS，傻傻分不清楚的共识机制

什么是共识机制？

我在开更的第一篇文章，就简单讲解了数字货币世界的16个最高频名词，其中一个就是共识机制，还记得吗？

为什么要有共识机制呢？

这就必须要解释一下在分布式系统中不得不了解的“拜占庭将军问题”了。

拜占庭将军问题（The Byzantine Generals Problem）可以总结为一句话：

在古代，11位忠诚的、不同位置的将军，如何排除叛徒的影响，对进攻或撤退达成一致。

当然，拜占庭将军问题并不是如今才提出的，我们大中华在春秋战国时期就发明了“虎符”这个神奇的方式来保障命令的正确执行。

在分布系数系统中，各个节点就是“拜占庭将军”，算法执行中的任意一个错误就是“叛徒”。

为了尽可能地排除错误、快速达成一致，来让系统有效地、正确地运行，便应运而生了各种“共识机制”。

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下面，我们就来一起学习数字货币世界中常见的几种共识机制：

PoW，工作量证明 Proof of Work

PoW是比特币所采用的共识机制，最早是由Adam Back为了解决垃圾邮件的问题而开发的一个“哈希现金Hashcash”程序。

比特币采用的是SHA256的单向函数，其具体的工作原理实在太专业，我们只需要理解到“SHA256的结果很容易验证，但是要将其计算出来，需要不断尝试运算，直到匹配到某个随机数；技术上而言，任何新增区块都需要经过232394亿运算才能得到”的程度，感兴趣的小伙伴可以搜索SHA256去深入学习。

因此，只要矿工出示运算结果，那通过PoW，全网节点就认可了他所付出的成本，承认新的区块奖励属于他。

如此大量的运算相当浪费资源，实际上并没有任何科学或实际用途，只是为了实践工作量证明机制、阻止攻击者伪装成节点来控制网络。

虽然在2009年时为了构建这种去中心化的、允许所有人可以免费参与的全球货币网络，没有更好的选择；但是发展到如今，已经有了其他不需要大量浪费算力的证明机制，比如我们下面就要提到的，PoS权益证明。

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PoS，权益证明 Proof of Stake

主要思想是：节点记账权的获得难度与节点持有的权益成反比，也就是说，一个节点拥有的币越多、时间越久，越容易获取记账权，也就越容易获取区块奖励。

实际上，最初的PoS是PoW的一种升级，根据每个节点的币龄，来等比例地降低挖矿难度，从而加快找到随机数的速度。

什么是币龄呢？

币龄=数量*拥有天数。

由于区块链中的每笔交易记录都会被标记时间戳，这个时间戳就可以作为币龄的证明，因此币龄也不可能被轻易伪造。

比如A从B那里收到10个币，并且持有了90天，那么，A就拥有了900的币龄；如果A卖了这10个币，这900币龄就被消耗了；

后来，为了彻底摆脱PoW这种依靠算力的共识机制，PoS引入了“利息”的概念；年利率是在PoS机制最初确认时就设定的，一般不会变化。

利息=（币龄*年利率）/365 ，如果利率是1%，在上个例子中，A就可以得到0.02466个币的利息。

如此一来，PoS区块链的作用过程就可以这样描述：

在初期，通过PoW机制，产生创世币；

在创世币达到一定规模时，PoS机制开始作用，交易时消耗币龄、获得产生区块的优先权，并获取利息，同时PoW机制由于消耗太多资源、浪费算力而逐渐淡出；

最终系统中仅剩PoS来维持正常运作。

目前大家所熟悉的以太坊，主要还是采用PoW的机制，不过正在转向PoS。

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大家了解了PoW和PoS，在遇到其他共识机制的时候，相信也会比较快得就能理解。

比如：股份授权证明DPOS，类似于董事会投票；燃烧证明POB；沉淀证明POD；能力证明POC；消逝时间证明PODT，等等。

就不在这里为大家一一展开了，感兴趣的同学可以百度或知乎一下~

区块链共识机制之一：POW工作量证明机制

区块链可以理解为一个不可篡改的公共账本，所有参与者都能验证交易并进行记账，即为分布式账本。那到底由谁来记账？又如何保证账本的一致性、准确性呢？也就是区块链的共识机制是如何的？

区块链的共识机制就是解决由谁来记账（构造区块），以及如何维护区块链的一致性问题。目前区块链项目采用的共识机制有多种，如：POW工作量证明机制，POS权益证明机制，DPOS股份授权证明机制等等。本文说明POW工作量证明机制。

区块链的第一个成功应用比特币系统采用的POW工作量证明机制。即以比特币系统为例说明POW机制，首先比特币系统有一套激励机制让所有参与者竞争记账的权利，即谁拥有记账权谁将获取构造新区块的比特币奖励（目前奖励为12.5比特币），同时获取新区块内所有交易的手续费作为奖励。

参与者如何竞争记账权利呢？参与者通过自己的算力计算一道数学难题，谁先计算的结果，谁就拥有了记账的权利，也就可获得构造新区块的奖励。这道数学难题就是寻找一个随机数Nonce，使得对区块头的哈希计算的结果小于目标值，Nonce本身是区块头中的一个字段，所以通过不断的尝试Nonce的值，以满足区块头的哈希计算结果小于目标值。通过动态调整目标值，即可调整计算的Nonce值的难度。

关于哈希计算Nonce的过程通常类比为掷筛子游戏，基于参与游戏的筛子的个数通过调整掷得筛子的点数可调整游戏的难度。例如：100个人参与掷筛子，总共有100个筛子，要求掷得点数为100为赢，则100个人谁先掷得点数100即为胜利者，即拥有了记账权。如果发现大家掷出100点的时间太快，则可增加难度，要求掷得点数为80为赢。如果又有100个人参与游戏，则游戏中增加了筛子数，如：筛子数增加为200个，同样通过设置掷得点数来调整游戏的难度。

筛子类似于比特币网络的算力，掷得点数类似于比特币网络可动态调整的目标值。

区块链以最长的链条视为正确的链条，如果存在同时出现两个区块，会暂时并行记录两个区块，后续再生成的区块基于其中的某一个区块，将会形成的最长的链条作为一致性的链条，另外一个区块将会被丢弃，比特币是基于6个区块的确认，所以被丢弃的区块将不会获得比特币系统的奖励，也就是白白将竞争记账权的算力（电费）浪费了。基于工作量的激励，参与者必然尽最大能力构造正确的区块，也就是满足区块链的一致性。即全网的所有用户可以达成唯一的一致性的公共账本。

目前比特币系统全网算力已达到惊人的24.75EH/s，其中1E=1000P，1P=1000T，1T=1000G，1G=1000M，1M=1000K，1K=1000，H/s为每秒一次哈希计算（哈希碰撞），也就是每秒进行24.75E次哈希计算，且仍有持续的算力加入比特币系统。比特币记账权的竞争，提供算力的硬件从CPU，GPU，专业矿机，矿池。目前单机版的专业矿机已无法竞争到记账权，必须由多台矿机组合为矿池才能竞争到记账权。