什麼是權益證明PoS？詳解區塊鏈PoS共識機制原理與特點

目錄

• 前言
• 什麼是共識機制
• 什麼是 PoS 權益證明
• PoS 權益證明的優勢
• PoS 權益證明的安全性
• PoS 有哪些潛在問題?
• 除瞭 PoS 和 PoW 還有哪些共識機制 ?
• 總結

前言

權益證明 (PoS) 是一種加密貨幣的共識機制，用於處理交易和在區塊鏈上建造新的區塊。參與者可以質押該區塊鏈網絡的代幣成為節點，依據質押代幣數量的多少，將有機會成為驗證者來驗證交易並獲得區塊獎勵。
在區塊鏈網絡上，所有的交易都記錄在被稱為分佈式帳本(DLT)的數據庫中，由多個節點共同編寫和復制，為瞭確保帳本的正確性，需要有共識機制來防止惡意的數據竄改。
權益證明通過要求驗證者質押一定數量的代幣以實現交易安全，它解決瞭工作量證明 (POW) 共識機制中耗費大量設備資本與能源的問題，減少瞭驗證交易和區塊所需的 CPU 工作量，是近年來受到許多區塊鏈項目青睞的共識機制。

什麼是共識機制

共識機制，是分佈式系統中所有參與者針對單一資訊來源達成一致見解的方法。中心化的系統不需要共識機制，資訊的真實與否是由控制的實體決定的。例如，在中心化的數據庫中，數據庫管理員擁有添加、刪除、和修改數據的權利，查詢數據庫的用戶被動地接收來自數據庫管理員的資訊。
在分佈系統中，依賴大量的自治機構 （節點）共同合作維護網絡，資訊的真實與否由全體共同決定。例如，在區塊鏈的網絡上，任何節點都有可能創建新區塊紀錄並驗證交易。然而，因為設備故障、網絡延遲、或是惡意攻擊等因素，來自不同節點的資訊可能出現矛盾的情況，因此不同的節點間必須要有一種共識算法，使數據的紀錄達成一致。
在區塊鏈的發展歷程中，最早被采用的共識機制為工作量證明 (PoW)，資訊的真實性由最大的 CPU 算力背書。由於其資本密集與耗能的問題，出現瞭權益證明 (PoS) 這一替代方案，資訊的真實性改由質押代幣數量最大的利害關系人背書，使網絡中的不同節點達成一致的共識。

什麼是 PoS 權益證明

權益證明 (PoS) 的共識機制最早是於 2011 年在 Bitcointalk 論壇上，由一位化名為 QuantumMechanic 的成員提出討論，之後 Scott Nadal 和 Sunny King 等其他參與者也協助構思，確立瞭權益證明的內核概念。
在工作量證明 (PoW) 的區塊鏈網絡中，交易是由稱為“礦工”的網絡節點提供 CPU 算力來解出復雜的數學問題，以獲得新區塊的記帳權和獎勵。在權益證明 (PoS) 的網絡中，稱為“驗證人”的網絡節點提供加密貨幣存款作為抵押品，抵押數量越多的節點越有機會獲得新區塊的記帳權和區塊獎勵。
為瞭避免抵押金額高的驗證人成為創建新區塊的固定節點，挑選驗證人的算法通常都會包含其他的參數，如質押代幣數量、代幣年齡、隨機區塊選取等，確保不會由固定的節點創建新區塊。代幣年齡指的是驗證人質押代幣後間隔多久時間尚未創建新區塊，代幣年齡越大的驗證人，創建新區塊的機率越高。設置代幣年齡的機制，可以讓質押數量較少的節點也有機會創建新區塊從而獲得獎勵。
一般來說，權益證明 (PoS) 的運作流程大致如下：

• 節點間會執行尚未被驗證的交易，區塊鏈網絡將這些待驗證的交易存放於一個池子中，等待質押加密貨幣的驗證人處理。
• 算法根據一些參數 ，如質押代幣數量、代幣年齡、隨機區塊選取等 ，挑選出一個驗證人創建新區塊。
• 被選中的驗證人確認待驗證的交易後，創建新區塊並打包這些交易紀錄。
• 其他未被選中的節點確認新區塊的內容是否正確。
• 如果新區塊中的交易紀錄也被其他節點確認無誤，添加新的區塊至區塊鏈網絡中。反之，若新區塊中的交易紀錄有異常，則拒絕添加新的區塊。
• 新的區塊被添加時，驗證人可以取回質押的代幣並獲得該區塊獎勵，如果驗證人選取算法有使用代幣年齡的機制，則當前區塊驗證人的代幣年齡將重置為 0。反之，若新的區塊被拒絕添加時，驗證人質押的代幣可能會遭受到削減 (Slash) 的懲罰。

圖來自 coinsentinel.io

PoS 權益證明的優勢

權益證明 (PoS) 被許多人認為是比工作量證明 (PoW) 更為優秀的共識機制，主要在於其以下優點：

不需要高規格的設備

參與權益證明區塊鏈網絡的設備門檻低，一般的個人端計算機即可作為節點。參與工作量證明區塊鏈網絡的CPU 算力要求很高，需要購買特制化的計算機。

能源效率高

權益證明的區塊鏈網絡不需要進行大量的哈希運算，因此運行節點不必耗費大量的能源。工作量證明的區塊鏈網絡，礦工需要互相競爭，要比其他參與者更早發現新區塊，執行大量的哈希運算會消耗大量的能源。

可擴容性高

高規格設備與高能源支出是工作量證明區塊鏈網絡在擴容時所面對的主要瓶頸，隨著網絡規模的擴大，額外添購的設備花費與能源消耗會指數遞增。權益證明的區塊鏈網絡沒有這方面的問題。

技術門檻較低

架設高規格的礦機以及後續運作上的維護需要相當多的專業知識，因此工作量證明的區塊鏈網絡比較適合機構及專業技術人員參與。權益證明的結點僅需一般的個人端設備，更適合大眾化的推廣。

更去中心化

權益證明通過算法確保所有的節點，無論質押數量多寡都能有效地參與區塊鏈網絡運作。然而在工作量證明的區塊鏈網絡中，絕大部分的區塊生成、交易驗證、以及獎勵分配都被高 CPU 算力的礦機和礦池壟斷，較小的節點難以與之抗衡，在長尾市場中權益證明是更佳的選擇。

更環保

運行權益證明的區塊鏈網絡不需要大量能源消耗和設備規格競爭，對於環境的沖擊及影響遠低於工作量證明的區塊鏈網絡。

PoS 權益證明的安全性

不管是什麼樣的共識機制，除瞭要能有效地讓網絡中的節點順利達成共識外，安全性是最關鍵的考量之一，若共識機制不安全，則網絡將因惡意攻擊者的入侵而癱瘓。

在工作量證明的區塊鏈網絡中，共識是通過 CPU 算力取得，因此若能控制區塊鏈網絡中超過 51% 的 CPU 算力，即可掌控該區塊鏈網絡中的主導權。攻擊者可以用雙重支付、拒絕或更改交易記錄，或阻止他人挖礦等方式來獲取利益，這個現象又被稱為是 51% 攻擊。

然而 51% 攻擊發生的可能性會隨著工作量證明的區塊鏈網絡規模擴大而降低。要執行 51% 攻擊，意味著需要大量的挖礦設備提供算力並支付其能源開銷，若攻擊成功的報酬小於發起攻擊所需付出的成本，將使得 51% 攻擊變得經濟上不可行。以比特幣為例，自創世區塊開采至今的十馀年間從來都沒有出現過 51% 攻擊，遍佈世界各地的比特幣礦機節點提供瞭大量的 CPU 算力保證比特幣網絡的安全性。

權益證明的區塊鏈網絡同樣有面臨 51% 攻擊的可能性，惡意的節點隻要取得總質押代幣總數的一半以上，就能取得區塊鏈網絡的控制權，自行偽造虛假的區塊和交易記錄，也就是說攻擊者可以通過收購大量代幣的方式來發動攻擊。

然而這種攻擊方式是不切實際的，收購大量的代幣將因需求增加而導致代幣價格上漲。發起攻擊後，區塊鏈網絡會受到影響，用戶的恐慌會造成代幣價格下跌。收購代幣的成本通常會遠大於從攻擊中獲得的代幣價值。

比較有可能攻擊權益證明共識機制的做法是勾結其他的節點，使得互相串通的節點持有 51% 以上的質押代幣總數，通過結點間的合縱連橫，一樣可以達到控制區塊鏈網絡的目的，而不必付出太過昂貴的代價。

為瞭避免不同節點間出現共謀的問題，權益證明的區塊鏈網絡引入瞭懲罰機制，虛假的區塊和交易記錄若遭到其他驗證人發現，發起攻擊的節點可能會損失部分甚至是全數的質押代幣資產，這解決瞭以往權益證明節點的無利害關系問題 (Nothing at Stake Problem)，也使得驗證人間彼此的串通變得更加困難，因為無法確定其他節點是否願意冒著虧損的風險共謀。

隻要抵押物價值高於獎勵，權益證明的驗證人會發現試圖欺詐的虧損將大於誠實運作的獎勵，在經濟誘因的驅使下，節點將會誠實地運作，因此權益證明的區塊鏈網絡在安全性方面並沒有太多的問題，尤其是在市值較高的加密貨幣，幾乎不可能發生 51% 攻擊。

PoS 有哪些潛在問題?

盡管權益證明的共識機制有許多特長之處，但仍然存在一些潛在的隱患。比如，權益證明往往遭人詬病會造成“富者愈富、貧者愈貧”的現象。抵押金額高的節點會有更高的機率創建區塊獲得獎勵，這會使得財富向持有代幣數量多的驗證人靠攏，使貧富不均的問題更加嚴重。

然而權益證明的支持者則認為，在所有的資本市場及博弈中，富者在先天上就具備瞭更強的競爭優勢，即便是換成工作量證明的共識機制也還是會遭遇一樣的問題，比起工作量證明網絡的高參與門檻，人人皆可受益的權益證明已經是更佳的解決方案。

另一個常見的問題則是代幣的供給較難預估，因為無法質押的節點數量可能會增加或減少，這會間接地衍生出其他問題。比如，當代幣的市場價格不斷下跌時，質押的節點收益可能會無法彌補繼續持有代幣的損失，造成大量節點解除質押拋售代幣，降低區塊鏈網絡的安全性。

此外，若質押的節點數量大幅增加，也有可能造成代幣供給短缺進而推升價格，這也是惡意的開發團隊在拋售持有代幣前，經常會使用的價格操縱手法。相對而言，工作量證明的代幣供給較為穩定，不容易出現類似的狀況。

除瞭 PoS 和 PoW 還有哪些共識機制 ?

分佈式系統中的共識機制並非隻有工作量證明和權益證明這兩種，區塊鏈技術在歷經瞭十多年的發展後，已經有許多新穎的共識機制被人們所提出，在此簡單介紹如下：

空間證明 (Proof of Space)

空間證明 (PoS) 是一種共識算法，網絡中的節點必須要保留相當大的硬盤存儲空間才有驗證交易和獲取獎勵的資格，驗證者會對提供存儲空間的節點發起挑戰，以確保其持續地提供這些存儲空間，Chia Network 采用的即為空間證明的算法。

圖來自 Chia Network

權威證明 (Proof of Authority)

權威證明 (PoA) 是一種共識算法，網絡中的節點不會質押代幣，但需要以自己的名譽為賭註以換取驗證交易的資格，因此驗證者需要透露自己的真實身份才可以參與，這個過程降低瞭選擇可疑驗證者的風險，並且鼓勵長期承諾，VeChain 采用的即為權威證明的算法。

委托權益證明 (Delegated Proof of Stake)

委托權益證明 (DPoS) 是權益證明 (PoS) 的一種變形，持有加密貨幣的用戶將自己的加密貨幣當作選票委托給見證人，這些見證人依照受委托的加密貨幣數量而有名聲高低的差異，被選出的見證人代表視為最受信賴的代表，擁有驗證區塊鏈交易的記帳權利，EOS 采用的即為委托權益證明的算法。

總結

權益證明共識算法通常被認為是工作量證明的演進，用戶可以質押持有的加密貨幣成為驗證人，建造新區塊獲得獎勵，也能和其他節點共同驗證交易紀錄，維護區塊鏈網絡的安全。

權益證明沒有資本密集和高耗能的挖礦，對參與者而言門檻較低更為親民，被視為是兼顧環保與去中心化的共識機制。在擴容性上權益證明的表現也更優於工作量證明，越來越多的區塊鏈網絡如 Cardano、Tezos、Avalanche、GateChain 都采用瞭權益證明的機制。

目前市值第二大的區塊鏈網絡以太坊，在預期 2022 年完成的 ETH 2.0 網絡升級中，也從原本的工作量證明轉換成權益證明的共識機制，盡管運行 ETH 2.0 的節點需要質押 32 枚 ETH ，門檻較高，但從史無前例的共識機制更換中也不難看出，權益證明確實是未來區塊鏈發展的趨勢之一。

雖然權益證明的共識機制看似改善瞭工作量證明所面臨的諸多難題，但在區塊鏈中仍然是較為新穎的技術，是否有其他未知的問題和缺陷，有待時間的考驗及見證。

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