POS:刨根問底，PoS 真的比 PoW 好嗎？| 深度長文

本文作者stakingrewards.com，由Cobo原創編譯本文共7268字，預計閱讀時間18分鐘為了深入理解Staking和PoS，本文中我們將把它與當前最主流的共識機制——PoW進行比較。目前大多數公鏈采用的都是PoW，但隨著PoS日益受到關注，可以預期在不久的將來，PoS的比例將會超過PoW。現在幾乎所有新推出的公鏈都是基于PoS，甚至連第二大公鏈以太坊也將在下一次重大升級中轉向PoS。這是為什么呢？PoS真的比PoW好嗎？PoS的確在一些方面優于PoW，在下文中我們將從幾個維度對二者進行比較分析。一、PoS的定義首先，讓我們來解釋一下基本概念。|PoW和PoS是兩種不同的算法，它們決定分布式網絡中的共識，以及如何獎勵共識維護者。換句話說，PoW和PoS闡述了如何發行新幣為網絡提供激勵，獎勵那些提供資源的共識維護者。這些幣的價值背后都有資源支撐，而且拿到獎勵的前提是你必須付出誠實的行動。不管是BTC、ETH，還是XTZ，皆是如此。你也許會說：在網絡中提供或鎖定某些資源，同時承擔一定風險，這聽起來很像Staking。沒錯，的確是這樣！PoW其實可以用PoS的邏輯來理解，花錢買礦機設備和電力就相當于Staking的一種形式。我們可以進一步總結為，Staking是一種傳統的經濟形式——投入資本以獲取回報。盡管這樣理解在某些情況下也不算錯，但我們還是回到二者的定義和它們的核心區別上來。PoW網絡的安全性來自于哈希算力，理論上算力越大收益越高，具體可參考比特幣的礦工和礦池。PoS的安全性來自于抵押經濟的價值，理論上Staking的數量越高收益越高。盡管每個共識協議都不盡相同，但仍有一些基本原則可供我們來比較。接下來，我們將通過發展趨勢、可擴展性、網絡安全、去中心化、成本、治理、社區參與、冷啟動、環保多方面對PoW和PoS進行比較。二、發展趨勢盡管PoS比PoW的歷史短，在整體市場中份額也小，但它正在飛速地發展。實際上，按市值計算的前三十名加密貨幣中有十三個已經使用了PoS或類PoS，包括EOS、Stellar、Tron、Dash、Neo、BinanceChain、Ontology、Tezos、NEM、VeChain、Waves、Qtum、Decred、Lisk，另外還有三個正在轉向PoS。這也意味著市場前三十的幣種中有超過一半在使用PoS。另外，幾乎所有的第二層解決方案都在使用Staking機制。甚至連比特幣的閃電網絡也可以被認為是PoS的某種形式：一些中繼節點把比特幣stake起來，幫助用戶通過通道進行交易，并從中賺取一些手續費。總Staking市值：>160億美元Staking中鎖定的總價值：>50億美元。PoS市值占比：9.80％除BTC和ETH外，PoS市值占比：26.6％這些數字還在持續增長，而且許多人預計PoS鏈的總價值將在今年年底達到500億美金。隨著BinanceChain、Cosmos和Polkadot將各種項目轉移到PoS區塊鏈協議，以及ETH2.0的推出，PoS鏈的總價值可能會超過這一規模。權益證明似乎正慢慢占據整個市場。三、可擴展性談及可擴展性時，必須要考慮到交易吞吐量和交易確認時間。交易吞吐量：出塊時間和區塊大小限制了網絡的交易吞吐量。采用PoW機制的比特幣出塊時間大概是十分鐘，其它幣種短一些，以太坊可以減少到十五秒，交易吞吐量也會隨著出塊時間的減少相應略有增加。在PoS共識維護者的共同努力下，由于出塊時間短了很多，交易吞吐量平均要比PoW高出很多。舉個例子，Tezos已經能實現每秒40筆交易。DPoS中的EOS、TRON甚至已經可以處理超過1000TPS的交易。交易確認時間：交易確認時間也是區塊鏈可擴展性一個重要的衡量因素，尤其是在商業環境中。在PoS共識機制中，交易速度更快，甚至在某些場景下的幾乎能實時確認。四、網絡安全眾所周知，早在2009年比特幣作為PoW的先驅就已啟動，并穩定運行了十多年，后來的很多其它數字貨幣也都采用了PoW共識機制。十年來，PoW已成為一個公鏈設計模版，歷經多次攻擊，可靠性和安全性久經考驗。短期內PoW可能受到挖礦壟斷的威脅，通過購買外部設備提升算力，發起51%攻擊。但對于比特幣來說，購買哈希算力來實現此類攻擊幾乎是不可能的，但對于一些小規模的PoW鏈，像Verge、ETC則是可行的。如果要估算對比特幣實施51%攻擊的成本，我們首先要考慮硬件和電力成本。總哈希算力:50,000,000TH/s螞蟻礦機S9當前價格:$300螞蟻礦機S9哈希算力:13TH/s51%攻擊的硬件成本:$1,153,846,153USD(約占網絡價值的1.11%)PoS和Staking還是新鮮事物，雖然像PeerCoin、Ardor這些幣已經存在了很長時間，但是第一個主流PoS鏈Tezos直到2018年夏才上線。PoS幣還沒有做過嚴格的壓力測試，所以我們也不知道可能將面臨什么樣的問題。以下列舉一部分PoS可能面臨的攻擊：長程攻擊LongRangeAttack長程攻擊就是攻擊者創建了一條從創世區塊開始的長區塊鏈分支，并試圖替換掉當前的合法主鏈。該分支上可能存有和主鏈不同的交易和區塊，所以這種攻擊又被稱為替換歷史攻擊或歷史覆寫攻擊。無利害攻擊NothingatStakeAttackPoS網絡還存在無利害攻擊。不像PoW，PoS運行多條鏈的成本很低，Validator可以向多個鏈投票而不會遭受任何損失，這就違反了共識協議。51%攻擊51%Attack你可能以為發起51%攻擊需要持有總幣量的51%，但是在一些PoS網絡中，只需要最少33%的stake資金就能發起這樣一場攻擊。而且如果能吸收他人投票，攻擊者甚至都不需要用自己的幣去發起攻擊，他們甚至還可以通過購買或賄賂的方式來獲取投票。還有一點就是，我說的這33%不是該PoS幣總供給量的33%，而是Staking資金池的33%。這樣來算的話，發起51%攻擊所需要的幣量會更少。低Staking參與率LowStakingParticipation如上所說，在一些PoS網絡中，只需要質押活躍在資金池中33%的幣量就能發起一場51%攻擊。比如，stake率為25%，33%*25%=1/12，即發起一次攻擊只需要該PoS幣總供給量的1/12。私鑰攻擊PrivateKeyAttack私鑰聯網后一旦被獲取，攻擊人就會獲得Staking資金的所有權和簽署交易的權利。即使私鑰不直接控制所有Staking資金，獲得了私鑰就獲得Validation和Staking的權力，方便發起攻擊。所以說，PoS網絡中一個很大的安全風險存在于把網絡價值轉移到Validator的過程中，這期間可能導致的高度中心化和網絡攻擊。只要擁有大量資源，就可能通過購買選票或Validator的壟斷組織來發起一場攻擊。LISK就在發生類似的情況，Validator成立了幾個組織來操控激勵份額。EOS的Validator還制定了EOS憲法，規定投票者不能獲得任何的獎勵。大家請留意以上提及的幾種攻擊，部分PoS在設計之初可能針對這些攻擊有所預防，但目前PoS仍然沒有經歷過實際的壓力測試。像Elastos這樣的混合共識機制也已經開始出現，出于安全考慮，它在挖礦中使用比特幣作為母鏈，同時又有著類似EOS的DPoS共識算法。這樣的混合共識機制也值得探索。五、去中心化PoWPoW挖礦依賴機器設備，這些設備有較高的門檻，并且技術被少數公司壟斷。挖礦也是一項艱巨的工程，因為購買ASIC芯片屬于長期投資，不像PoS資金那樣具有流動性。而且現在挖礦的利潤又很低，只有那些擁有硬件技術和廉價電力的大型企業才能有利可圖。PoS與PoW不同，PoS共識機制的核心是網絡中的幣，這些幣可以在交易所甚至OTC市場大量購買，不需要通過挖礦獲取，所以參與Staking幾乎沒有門檻。在PoS共識機制中，超級節點可以通過運行和維護網絡獲得獎勵，所以運行節點的動機是很高的。雖然不是所有人都愿意或有能力去運行節點，但是Staking機制對于去中心化是很重要的，因為PoS允許所有持幣人在沒有運行節點的情況下投票并參與共識。不過你會不會認為在PoS共識機制下富者恒富呢？和PoW相比，其實不然。在PoW共識機制中，“富者恒富”的法則更明顯，有錢的礦工可以買很多ASIC礦機，他們有資源優勢并享受高回報。PoW的大礦工享受規模經濟下的回報；但對于PoSStaker而言，只有線性收益。六、成本討論成本，我們得從三個方面來考慮：鏈上交易成本維護區塊鏈所需要的資金成本補償Validator或礦工所需要的通脹成本鏈上交易成本在公鏈上存儲數據是極其昂貴的，每個字節都需要傳送到區塊鏈網絡里的每個節點，并被這些節點儲存。在PoW共識里，比特幣交易的成本大約為1.91美元每筆，以太坊的交易成本約為0.1美元每筆，交易成本會隨著幣價的漲跌變動。牛市高點的某些時候，比特幣和以太坊交易費用分別可高達54.9美元和5.5美元。在PoS共識里，交易費用就低很多。拿Tezos舉例，每筆交易費用只有0.01美元左右，其它像Cosmos的PoS幣也差不多。現在，我們再來看看維護區塊鏈所需要的成本。維護一個區塊鏈所需要的成本PoW需要高昂的硬件和電力成本，而在PoS里，成為一個Validator就只需要一臺安全&良好運行的設備，和很少的電力成本就可以了。在比特幣網絡里，每年所需的硬件維護成本大概是20億美元，電力成本約為40億美元。這就是說，為了PoW網絡的正常運行，需要投入網絡總價值的6.5%。而在PoS網絡里，維護成本僅占網絡總價值的0.1%。通脹成本在PoS網絡里，通脹率約為6%，而PoW網絡里，這一比例約為4%。區塊鏈的激勵設計會隨著時間的推進而降低通脹，PoW比PoS存在的時間更久，因此我們可以說二者的通脹水平是差不多的，未來PoS的通脹率也會變得越來越低。在PoW網絡里，那些不是礦工的投資者并沒有一個好的抵御通脹的方法，而在PoS網絡里，持幣者卻可以通過幣生幣獲得一定收益。七、治理在PoW網絡里，協議治理可分成幾方：礦工：決定交易信息是否被確認以及該挖哪條鏈用戶：決定該接受哪個協議，以及使用哪個生態基金會：決定如何在不同的開發組織間分配資金節點：決定運行哪個軟件并通過API向用戶提供服務在PoW網絡，很難說到底誰持有最大的投票權，因為PoW里的投票權很難量化。然而，為了維護網絡以及管理巨大的資源和網絡，在各方之間依然需要有一個共識。PoW網絡中治理的透明度匱乏使得協議的設計和升級進程緩慢。PoS治理也是分布在以上提到的幾個群體，但是治理機制更加系統，我們可以遵守一條簡單的規則——1:1投票。而且，在PoS網絡里，我們可以實施鏈上治理。鏈上治理允許我們創建協議或對協議提出改進的建議，還可以在鏈上進行投票。基于鏈上投票的結果，協議可自動執行。目前Tezos就是采用的這種鏈上治理機制。其它治理投票的PoS例子還有：EOSDecredDashCosmosPoS治理中清晰透明的投票設計有利于協議變動可以被快速執行。八、社區參與PoW礦工有著傳統的商業思維，他們更愿意投資一種自己熟悉的傳統商業模式。對于他們來說，挖礦類似于工廠制造業。挖礦設備就是生產設備，技術越高級，效率就越高。廉價的電力對于挖礦業來說是必要的資源，這些商業模式對于市場價格的依賴和傳統工廠依賴鋼鐵價格一個道理。這其中當然是有風險的：如果數字貨幣價格下跌，挖礦可能會變得無利可圖。但在大多數情況下，市價拋售所有幣也是能賺到錢的。今天的礦工大多數都是礦機設備和電力有一定資源的人，他們很少有動力參與到社區中來。如果他們真的相信幣的價值，直接投資即可回報不菲。直接投資比特幣現在的回報已經超過挖礦，我們認為長期這一趨勢不會改變。相比之下，PoS里的Validator更像是投資人，他們需要對所持數字貨幣背后的技術有很深的理解，同時對協議的發展作出貢獻。大型PoS幣種一般都有獨立的研究團隊。為了獲得更多的投票，這些Validator一般需要持有大量的幣。通過Staking或者提供Staking服務，這些資金會被鎖定一定時間，如果想動用部分資金，那他們可能不能繼續為所有的客戶提供服務。這樣Validator就成為了長期投資者，他們更有動力驅動技術和價值。激勵越高，投入越多。這就好比早期階段的創業投資，VC為他們投資的公司提供支持。這一比喻形象地概括了挖礦投資理論，在Coinfund使用后廣為傳播。九、冷啟動發行一條公鏈最好的辦法是什么？鑒于代幣在公鏈采用和融資中起到的作用，我們必須考慮到公眾通過什么方式獲得代幣。發行一條PoW鏈是十分簡單的。最初PoW的發行量為0，每個人通過挖礦獲得平等的參與權。這個過程看起來相對簡單、平等、透明。為了給持續的協議研究和發展提供支持，還可以像Zcash一樣成立一個發展基金，有一小部分的區塊獎勵直接授予開發者。PoS網絡的冷啟動要更復雜，從一開始，就需要多方都持有一部分權益，ICO比例在發行前就被決定了。最普遍的方法是代幣發行，原始代幣供應被賣或發給投資者、開發者團隊、基金會、理事會等等。因為參與原始權益分配的大型投資者準入門檻高、同時也可以拿到豐厚回報，這種代幣發行一般不太公平，對于社區的普通投資者來說有較多的限制。代幣的授予期通常不透明，而且時常變來變去。這也意味著投資者的權益可能被稀釋了，但仍被蒙在鼓里。另一種發行代幣的方法是空投，人們不需要直接投資即可收到一定數量的代幣。這種代幣空投通常在接收者不知情的情況下發生，而且數量極其少，相比于總量來說幾乎可以忽略。由于透明度的缺失，這似乎也不是最好的方法。除此之外，也有其它一些冷啟動方式出現，但依然出于早期階段，現在很難下結論。其中一個是Cosmos引入的類似于“跨鏈空投”的概念，它是通過硬分區實現——通過復制一條PoW或PoS鏈上的數字貨幣帳戶余額到一條新的PoS鏈上，這條鏈上的新數字貨幣具有互用性，并可以拿來做Staking。“HardSpoon：基于一個現有的區塊鏈網絡狀態形成一條新鏈；該新鏈不是和原有鏈進行競爭，而是提供了更為廣泛的訪問。”?Tendermint創始人JaeKwonJaeKwon十、環保如果我們看保護一條公鏈的成本，PoW比PoS貴太多了，畢竟設備和電力成本很高。從這個角度來看，PoW對環境顯然不友好。盡管如此，我們認為消耗的電力與我們所得到的價值相比還是微不足道的。我們得到的是一個去信任化、全球化、不可篡改、安全度極高的賬本。和黃金開采、以及現有金融體系消耗的成本相比，PoW的成本并沒有那么高。如果只看對環境的影響，我們承認PoS更優，因為它更環保。結論在本文中，我們從幾個維度把PoW和PoS進行了對比。兩者都不完美，未來不會出現一種共識機制統一天下的情況。我們強烈地相信，最終至少有一條PoW鏈會存在，它很可能是比特幣。PoW鏈提供了無可比擬的安全性和不可撤銷性，而且可以作為全球結算層以及真實數據的一個來源。圍繞比特幣，人們寄托了很多愿景，同時也存有諸多爭議。越來越多新的區塊鏈協議開始采用PoS的安全模型，而且隨著以太坊逐漸從PoW轉移到PoS，PoS所占的比例也將大幅增加。大多數的第二層解決方案也采用PoS，帶動Staking的話題在區塊鏈的世界里變得火熱起來。如果我們來看看像Cosmos和Polkadot這些互動型和應用型的PoS鏈，我們會發現PoS甚至會和一些像比特幣、門羅幣、大零幣這樣的PoW鏈產生聯系。這些PoW鏈需要擁有自己的分區、平行鏈和網橋或者與它們進行聯通，間接地成為Staking經濟中的一份子。總結一下，PoS日漸崛起的原因有：可以賺取Staking收益，不被通脹稀釋參與共識的低門檻準入可擴展性更強沒有規模經濟效應，更去中心化維護區塊鏈成本更低1:1投票，治理更透明對共識維護者和社區有更高的激勵更環保值得一提的是，以上提到的幾個優勢是有一定代價和成本的。PoS目前還沒有像PoW那樣可追溯的歷史數據。未來，隨著整體市場的成熟，我們將會看到PoW和PoS的發展軌跡越來越完整，也更便于我們學習。當然不會出現一鏈統天下的狀況，就像不會只存在一種算法。像Decred這種PoS+PoW混合體系可能會越來越受歡迎，但這又是另一個話題了。

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