1、【Discover ETH】什么是權(quán)益證明PoS

本篇作為Discover系列文章的開(kāi)篇，結(jié)合ETH2.0的目標(biāo)，來(lái)談?wù)剻?quán)益證明PoS是什么。

在談PoS之前，我們先來(lái)了解一下共識(shí)。共識(shí)，即達(dá)成了普遍協(xié)議。區(qū)塊鏈實(shí)質(zhì)上是一個(gè)全球性的狀態(tài)機(jī)，達(dá)成共識(shí)意味著網(wǎng)絡(luò)上至少有超過(guò)一半（51%）的節(jié)點(diǎn)同意網(wǎng)絡(luò)的下一個(gè)全球狀態(tài)。
共識(shí)機(jī)制 （也稱(chēng)為共識(shí)協(xié)議或共識(shí)算法）允許分布式系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）協(xié)同工作并保持安全。當(dāng)前主流的共識(shí)機(jī)制有兩種，分別是 工作量證明 (Proof of Work，PoW)和 權(quán)益證明 (Proof of Stake，PoS)。以太坊在設(shè)計(jì)之初就希望最終以太坊的共識(shí)機(jī)制能轉(zhuǎn)變?yōu)镻oS，而PoW只作為一個(gè)過(guò)渡階段。但無(wú)論是PoW還是PoS，最終的目的都是相同的，即實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算機(jī)的共識(shí)機(jī)制。下面先簡(jiǎn)單了解工作量證明（PoW）的工作機(jī)制。

工作量證明通過(guò)礦工們完成，礦工們需要競(jìng)爭(zhēng)創(chuàng)建最新區(qū)塊以處理和完成交易。 獲勝者將與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)分享最新區(qū)塊，并且獲得最新的特定代幣區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)（如以太坊的以太幣）。由于用戶(hù)需要擁有超過(guò)網(wǎng)絡(luò)中 51% 的算力才能夠欺騙整條鏈，因此網(wǎng)絡(luò)安全得以保證。 這將需要巨大的設(shè)備和能源投入，所需的開(kāi)支甚至可能超過(guò)收益。
工作量證明是08年在中本聰所創(chuàng)造的比特幣中提出的，至今已經(jīng)經(jīng)過(guò)了充分的考驗(yàn)和測(cè)試，但隨著越來(lái)越多的礦工和礦池的加入，挖掘新的區(qū)塊的難度指數(shù)爆發(fā)式上升，也面臨的如下的問(wèn)題：

PoS作為ETH2.0關(guān)鍵的建設(shè)目標(biāo)，其作用不僅僅只是因?yàn)镻oW帶來(lái)的環(huán)境不友好的能源消耗，還有PoS的建設(shè)能更有力支持 分片鏈 （以太坊網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的關(guān)鍵升級(jí)），更強(qiáng)的去中心化特性等等。下面從幾個(gè)方面來(lái)簡(jiǎn)單談?wù)剻?quán)益證明PoS的工作過(guò)程。

在以太坊中，工作量證明的過(guò)程參與的角色是礦工/礦池。其目的是通過(guò)算力試錯(cuò)來(lái)反復(fù)計(jì)算，以此生成一個(gè)低于目標(biāo)隨機(jī)數(shù)的混合哈希。這個(gè)計(jì)算難度依賴(lài)于區(qū)塊所聲明的 難度 ，難度越小，有效的哈希值的集合就越小。而在權(quán)益證明中，則沒(méi)有礦工這一角色，與之對(duì)應(yīng)的是稱(chēng)之為 驗(yàn)證者 的角色。
在ETH2.0中，用戶(hù)需要質(zhì)押 32ETH 來(lái)獲得作為驗(yàn)證者的資格。驗(yàn)證者被 信標(biāo)鏈 隨機(jī)選擇去創(chuàng)建區(qū)塊，并且負(fù)責(zé)檢查和確認(rèn)那些不是由他們創(chuàng)造的區(qū)塊。他們不需要開(kāi)采區(qū)塊，他們只需要在被選中的時(shí)候創(chuàng)建區(qū)塊并且在沒(méi)有被選中的時(shí)候驗(yàn)證他人提交的區(qū)塊。此驗(yàn)證被稱(chēng)為證明。
驗(yàn)證者因提出新區(qū)塊和證明他們已經(jīng)看到的區(qū)塊而獲得獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)于一些惡意驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)，也會(huì)有相應(yīng)的懲罰機(jī)制使之失去質(zhì)押。驗(yàn)證者質(zhì)押的ETH越多，獲得的獎(jiǎng)勵(lì)也越多?？梢赃@樣說(shuō)，權(quán)益證明是一種用于激勵(lì)驗(yàn)證者接受更多質(zhì)押的機(jī)制。

前面提到了 分片鏈 這個(gè)名詞， 分片 就是將區(qū)塊鏈分成多條鏈。驗(yàn)證者將會(huì)在不同的分片上處理它們的分片數(shù)據(jù)，以此來(lái)提高區(qū)塊鏈的工作效率。ETH2.0預(yù)計(jì)會(huì)有64個(gè)分片鏈。
驗(yàn)證者會(huì)被隨機(jī)洗牌到不同的分片中，以防止驗(yàn)證者惡意操縱節(jié)點(diǎn)并提高鏈的安全性。處理不同分片之間的數(shù)據(jù)的關(guān)鍵角色就是 信標(biāo)鏈 （Beacon Chain）。
信標(biāo)鏈 是協(xié)調(diào)分片信息、管理驗(yàn)證者的連接不同分片的橋梁。
當(dāng)用戶(hù)在分片上提交交易時(shí)， 驗(yàn)證者 將負(fù)責(zé)將用戶(hù)的交易添加到分片區(qū)塊中。 信標(biāo)鏈 通過(guò)算法選擇驗(yàn)證器以提出新的塊。如果一個(gè)驗(yàn)證者沒(méi)有被選中提出一個(gè)新的分塊，它們將會(huì)證明另一個(gè)驗(yàn)證者的提議，并確認(rèn)一切都正常。
至少需要 128 個(gè)被稱(chēng)為 委員會(huì) （ committee ）的驗(yàn)證者來(lái)證明每個(gè)分片塊。委員會(huì)有一個(gè)提出和驗(yàn)證分片區(qū)塊的時(shí)限，這個(gè)時(shí)限被稱(chēng)為 插槽 （ Slot ），大約為12秒。 每個(gè)插槽只能創(chuàng)建一個(gè)有效區(qū)塊，一個(gè) 周期 （ Epoch ，大約6.4分鐘）有 32 個(gè)插槽。
每個(gè)周期過(guò)后，委員會(huì)都由不同的、隨機(jī)的參與者解散與重組，重組過(guò)程由一個(gè)半隨機(jī)算法 RANDAO 來(lái)選擇，以此避免惡意節(jié)點(diǎn)的操縱。

ETH2.0使用 Cassper 終局協(xié)議來(lái)確認(rèn)一個(gè)新的區(qū)塊是否得到足夠的證明，即只要2/3的插槽同意（即當(dāng)前參與計(jì)算的2/3的驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)），該區(qū)塊就會(huì)被最終確定。而推薦此區(qū)塊的驗(yàn)證者將獲得獎(jiǎng)勵(lì)。因此，在權(quán)益證明的機(jī)制下，每過(guò)6.4分鐘就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的區(qū)塊。關(guān)于Cassper協(xié)議的詳細(xì)說(shuō)明后續(xù)再進(jìn)行探索。

權(quán)益證明的建設(shè)以太坊在15年就已經(jīng)提出，截止至今也才完成了Phase 0信標(biāo)鏈的建設(shè)。而下一階段的與主網(wǎng)合并，再下一階段的分片鏈建設(shè)也一再推遲。雖然PoS的建設(shè)非常緩慢，但無(wú)論如何，權(quán)益證明作為主流的共識(shí)機(jī)制算法之一，也是值得我們探討其設(shè)計(jì)原理。
后續(xù)將會(huì)針對(duì)信標(biāo)鏈的詳細(xì)設(shè)計(jì)、分片等ETH2.0內(nèi)容進(jìn)行探索。

2、什么是PoS――權(quán)益證明?

ProofofStake，根據(jù)目前持有貨幣的量和時(shí)間進(jìn)行利息分配的制度，在POS模式下，目前的“挖礦”收益正比于目前的幣齡，而與電腦的計(jì)算性能無(wú)關(guān)。

3、POW & POS,傻傻分不清楚的共識(shí)機(jī)制

什么是共識(shí)機(jī)制？

我在開(kāi)更的第一篇文章，就簡(jiǎn)單講解了數(shù)字貨幣世界的16個(gè)最高頻名詞，其中一個(gè)就是共識(shí)機(jī)制，還記得嗎？

為什么要有共識(shí)機(jī)制呢？

這就必須要解釋一下在分布式系統(tǒng)中不得不了解的“拜占庭將軍問(wèn)題”了。

拜占庭將軍問(wèn)題（The Byzantine Generals Problem）可以總結(jié)為一句話(huà)：

在古代，11位忠誠(chéng)的、不同位置的將軍，如何排除叛徒的影響，對(duì)進(jìn)攻或撤退達(dá)成一致。

當(dāng)然，拜占庭將軍問(wèn)題并不是如今才提出的，我們大中華在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就發(fā)明了“虎符”這個(gè)神奇的方式來(lái)保障命令的正確執(zhí)行。

在分布系數(shù)系統(tǒng)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)就是“拜占庭將軍”，算法執(zhí)行中的任意一個(gè)錯(cuò)誤就是“叛徒”。

為了盡可能地排除錯(cuò)誤、快速達(dá)成一致，來(lái)讓系統(tǒng)有效地、正確地運(yùn)行，便應(yīng)運(yùn)而生了各種“共識(shí)機(jī)制”。

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下面，我們就來(lái)一起學(xué)習(xí)數(shù)字貨幣世界中常見(jiàn)的幾種共識(shí)機(jī)制：

PoW，工作量證明 Proof of Work

PoW是比特幣所采用的共識(shí)機(jī)制，最早是由Adam Back為了解決垃圾郵件的問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一個(gè)“哈?，F(xiàn)金Hashcash”程序。

比特幣采用的是SHA256的單向函數(shù)，其具體的工作原理實(shí)在太專(zhuān)業(yè)，我們只需要理解到“SHA256的結(jié)果很容易驗(yàn)證，但是要將其計(jì)算出來(lái)，需要不斷嘗試運(yùn)算，直到匹配到某個(gè)隨機(jī)數(shù)；技術(shù)上而言，任何新增區(qū)塊都需要經(jīng)過(guò)232394億運(yùn)算才能得到”的程度，感興趣的小伙伴可以搜索SHA256去深入學(xué)習(xí)。

因此，只要礦工出示運(yùn)算結(jié)果，那通過(guò)PoW，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)就認(rèn)可了他所付出的成本，承認(rèn)新的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)屬于他。

如此大量的運(yùn)算相當(dāng)浪費(fèi)資源，實(shí)際上并沒(méi)有任何科學(xué)或?qū)嶋H用途，只是為了實(shí)踐工作量證明機(jī)制、阻止攻擊者偽裝成節(jié)點(diǎn)來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)。

雖然在2009年時(shí)為了構(gòu)建這種去中心化的、允許所有人可以免費(fèi)參與的全球貨幣網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有更好的選擇；但是發(fā)展到如今，已經(jīng)有了其他不需要大量浪費(fèi)算力的證明機(jī)制，比如我們下面就要提到的，PoS權(quán)益證明。

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PoS，權(quán)益證明 Proof of Stake

主要思想是：節(jié)點(diǎn)記賬權(quán)的獲得難度與節(jié)點(diǎn)持有的權(quán)益成反比，也就是說(shuō)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有的幣越多、時(shí)間越久，越容易獲取記賬權(quán)，也就越容易獲取區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)。

實(shí)際上，最初的PoS是PoW的一種升級(jí)，根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的幣齡，來(lái)等比例地降低挖礦難度，從而加快找到隨機(jī)數(shù)的速度。

什么是幣齡呢？

幣齡=數(shù)量*擁有天數(shù)。

由于區(qū)塊鏈中的每筆交易記錄都會(huì)被標(biāo)記時(shí)間戳，這個(gè)時(shí)間戳就可以作為幣齡的證明，因此幣齡也不可能被輕易偽造。

比如A從B那里收到10個(gè)幣，并且持有了90天，那么，A就擁有了900的幣齡；如果A賣(mài)了這10個(gè)幣，這900幣齡就被消耗了；

后來(lái)，為了徹底擺脫P(yáng)oW這種依靠算力的共識(shí)機(jī)制，PoS引入了“利息”的概念；年利率是在PoS機(jī)制最初確認(rèn)時(shí)就設(shè)定的，一般不會(huì)變化。

利息=（幣齡*年利率）/365 ，如果利率是1%，在上個(gè)例子中，A就可以得到0.02466個(gè)幣的利息。

如此一來(lái)，PoS區(qū)塊鏈的作用過(guò)程就可以這樣描述：

在初期，通過(guò)PoW機(jī)制，產(chǎn)生創(chuàng)世幣；

在創(chuàng)世幣達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，PoS機(jī)制開(kāi)始作用，交易時(shí)消耗幣齡、獲得產(chǎn)生區(qū)塊的優(yōu)先權(quán)，并獲取利息，同時(shí)PoW機(jī)制由于消耗太多資源、浪費(fèi)算力而逐漸淡出；

最終系統(tǒng)中僅剩PoS來(lái)維持正常運(yùn)作。

目前大家所熟悉的以太坊，主要還是采用PoW的機(jī)制，不過(guò)正在轉(zhuǎn)向PoS。

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大家了解了PoW和PoS，在遇到其他共識(shí)機(jī)制的時(shí)候，相信也會(huì)比較快得就能理解。

比如：股份授權(quán)證明DPOS，類(lèi)似于董事會(huì)投票；燃燒證明POB；沉淀證明POD；能力證明POC；消逝時(shí)間證明PODT，等等。

就不在這里為大家一一展開(kāi)了，感興趣的同學(xué)可以百度或知乎一下~

4、什么是PoS――權(quán)益證明?

ProofofStake，根據(jù)你持有貨幣的量和時(shí)間進(jìn)行利息分配的制度，在POS模式下，你的“挖礦”收益正比于你的幣齡，而與電腦的計(jì)算性能無(wú)關(guān)。

5、五分鐘了解共識(shí)機(jī)制

五分鐘了解共識(shí)機(jī)制
什么是共識(shí)機(jī)制？
“共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈的靈魂。”這是業(yè)內(nèi)經(jīng)常能聽(tīng)到的一句話(huà)，共識(shí)機(jī)制在區(qū)塊鏈中的地位可想而知。那么到底什么是共識(shí)機(jī)制呢？我們不妨從拜占庭將軍問(wèn)題說(shuō)起。
拜占庭位于如今的土耳其的伊斯坦布爾，是東羅馬帝國(guó)的首都。由于當(dāng)時(shí)拜占庭羅馬帝國(guó)國(guó)土遼闊，為了防御目的，每個(gè)軍隊(duì)都分隔很遠(yuǎn)，將軍與將軍之間只能靠信差傳消息。在戰(zhàn)爭(zhēng)的時(shí)候，拜占庭軍隊(duì)內(nèi)所有將軍和副官必須達(dá)成一致的共識(shí)，決定是否有贏的機(jī)會(huì)才去攻打敵人的陣營(yíng)。但是，在軍隊(duì)內(nèi)有可能存有叛徒和敵軍的間諜，左右將軍們的決定又?jǐn)_亂整體軍隊(duì)的秩序。在進(jìn)行共識(shí)時(shí)，結(jié)果并不代表大多數(shù)人的意見(jiàn)。這時(shí)候，在已知有成員謀反的情況下，其余忠誠(chéng)的將軍在不受叛徒的影響下如何達(dá)成一致的協(xié)議，拜占庭問(wèn)題就此形成。
拜占庭將軍問(wèn)題是一個(gè)協(xié)議問(wèn)題，拜占庭帝國(guó)軍隊(duì)的將軍們必須全體一致的決定是否攻擊某一支敵軍。問(wèn)題是這些將軍在地理上是分隔開(kāi)來(lái)的，并且將軍中存在叛徒。叛徒可以任意行動(dòng)以達(dá)到以下目標(biāo)：欺騙某些將軍采取進(jìn)攻行動(dòng)；促成一個(gè)不是所有將軍都同意的決定，如當(dāng)將軍們不希望進(jìn)攻時(shí)促成進(jìn)攻行動(dòng)；或者迷惑某些將軍，使他們無(wú)法做出決定。如果叛徒達(dá)到了這些目的之一，則任何攻擊行動(dòng)的結(jié)果都是注定要失敗的，只有完全達(dá)成一致的努力才能獲得勝利。
而這個(gè)問(wèn)題該如何解決？中本聰?shù)睦砟罱o出了一個(gè)比較好的答案：不能讓所有人都有資格發(fā)信息，而是給發(fā)信息設(shè)置了一個(gè)條件：“工作量”，將軍們同時(shí)做一道計(jì)算題，誰(shuí)先算完，誰(shuí)才能獲得給其他小國(guó)發(fā)信息的資格。而其他小國(guó)在收到信息后，必須采用加密技術(shù)進(jìn)行簽字蓋戳，以確認(rèn)身份。然后再繼續(xù)做題，做對(duì)題的再繼續(xù)發(fā)消息……對(duì)這種先后順序達(dá)成共識(shí)的算法，就是共識(shí)機(jī)制。
共識(shí)機(jī)制的作用
區(qū)塊鏈作為一種按時(shí)間順序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可支持不同的共識(shí)機(jī)制。在區(qū)塊鏈上，每個(gè)人都會(huì)有一份記錄鏈上所有交易的賬本，鏈上產(chǎn)生一筆新的交易時(shí)，每個(gè)人接收到這個(gè)信息的時(shí)間是不一樣的，有些想要干壞事的人就有可能在這時(shí)發(fā)布一些錯(cuò)誤的信息，這時(shí)就需要一個(gè)人把所有人接收到的信息進(jìn)行驗(yàn)證，最后公布最正確的信息。
共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈技術(shù)的重要組件。它就像一本法典，維系著區(qū)塊鏈?zhǔn)澜绲恼＿\(yùn)轉(zhuǎn)，使得區(qū)塊鏈技術(shù)自帶改善世界的光芒，也是讓區(qū)塊鏈得以被全世界逐步接受和認(rèn)可的最大幕后功臣，它讓互聯(lián)網(wǎng)、陌生人之間，在沒(méi)有第三方作為信用背書(shū)的情況下發(fā)生的一切交易變成可能，它賦予了機(jī)械的代碼以人性和溫度。
共識(shí)機(jī)制的類(lèi)別
目前的共識(shí)機(jī)制主要有POW、POS、DPOS、PBFT、dBFT、Pool驗(yàn)證池。
POW，就是人們熟悉的比特幣挖礦，通過(guò)計(jì)算出一個(gè)滿(mǎn)足規(guī)則的隨機(jī)數(shù)，即獲得本次記賬權(quán)，發(fā)出本輪需要記錄的數(shù)據(jù)，全網(wǎng)其它節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后一起存儲(chǔ)?？蓪?shí)現(xiàn)完全去中心化，節(jié)點(diǎn)自由進(jìn)出。干的越多，收的越多。
POS，權(quán)益證明，POW的一種升級(jí)共識(shí)機(jī)制，根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)所占代幣的比例和時(shí)間，以此等比例的挖礦難度，從而加快找隨機(jī)數(shù)的速度。持有越多，獲得越多
DPOS，股份授權(quán)證明機(jī)制，類(lèi)似于董事會(huì)投票，持幣者投出一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，代理他們進(jìn)行驗(yàn)證和記賬。
PBFT ，Practical Byzantine Fault Tolerance，實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法，是一種狀態(tài)機(jī)副本復(fù)制算法，即服務(wù)作為狀態(tài)機(jī)進(jìn)行建模，狀態(tài)機(jī)在分布式系統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行副本復(fù)制，每個(gè)狀態(tài)機(jī)的副本都保存了服務(wù)的狀態(tài)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了服務(wù)的操作。
dBFT，delegated BFT 授權(quán)拜占庭容錯(cuò)算法，由權(quán)益來(lái)選出記賬人，然后記賬人之間通過(guò)拜占庭容錯(cuò)算法來(lái)達(dá)成共識(shí)。
Pool驗(yàn)證池，基于傳統(tǒng)的分布式一致性技術(shù)建立，并輔之以數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制，是目前區(qū)塊鏈中廣泛使用的一種共識(shí)機(jī)制。Pool驗(yàn)證池不需要依賴(lài)代幣就可以工作，在成熟的分布式一致性算法(Pasox、Raft)基礎(chǔ)之上，可以實(shí)現(xiàn)秒級(jí)共識(shí)驗(yàn)證，更適合有多方參與的多中心商業(yè)模式。
現(xiàn)有共識(shí)機(jī)制存在問(wèn)題
目前現(xiàn)有的共識(shí)機(jī)制都不算完美，在一些實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景弊端很多。
A、計(jì)算能力浪費(fèi)
在工作量證明機(jī)制POW中，猜數(shù)字最快的通常是電腦計(jì)算能力強(qiáng)的。超強(qiáng)的計(jì)算能級(jí)僅用來(lái)猜數(shù)字，實(shí)在是浪費(fèi)。
B、權(quán)益向頂層集中
在權(quán)益證明機(jī)制POS中，token的余額越多的人獲得公示信息的概率越高，公示人會(huì)得到一定的token作為獎(jiǎng)勵(lì)，如此持有token多的人會(huì)越來(lái)越多，少的人越來(lái)越少。
C、作惡成本低下
在靠算力與權(quán)益的的多少來(lái)獲得公示信息的權(quán)利的模式當(dāng)中，當(dāng)算力和權(quán)益向少數(shù)人集中之后，這些少數(shù)人如果想要做一些違反規(guī)則的事情是輕而易舉的；在PBFT中，由所有人投票，如果一個(gè)沒(méi)有任何token余額的人想要搗亂，那他幾乎是完全沒(méi)有利益損失。
D、對(duì)于真正的去中心化構(gòu)成威脅
在工作量證明機(jī)制中，計(jì)算能力越強(qiáng)，獲得記錄權(quán)利的概率就越高。如果有人把很多人集中在一起來(lái)猜數(shù)字，把好多電腦的算力加在一起來(lái)用，那這些抱團(tuán)的人就會(huì)更容易獲得公示信息的權(quán)利，發(fā)展到最后可能公示權(quán)就直接掌握在這些人手里。
在權(quán)益證明機(jī)制POS中，權(quán)益越大的人獲得記錄權(quán)利的概率越高，而記錄的人就會(huì)有獎(jiǎng)勵(lì)token ，這樣一來(lái)這些人就會(huì)越來(lái)越富有，貧富差距就會(huì)越來(lái)越大。持有token少的人幾乎都沒(méi)有話(huà)語(yǔ)權(quán)了。權(quán)利掌握在少數(shù)人手中，這有違區(qū)塊鏈去中心化理念。

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