PoS详解：节能高效的区块链共识机制

权益证明（Proof of Stake）简介

权益证明（PoS）是当今区块链网络中最受欢迎的共识机制之一。它通过让验证者质押代币来替代传统的计算能力验证交易的方式，大大降低了能源消耗。PoS 还可以提升去中心化、安全性和可扩展性。然而，对于市值较低的区块链来说，51% 攻击相对容易实现。由于 PoS 的高度灵活性，它在不同的区块链和应用场景中有着多种变体。

什么是权益证明？

权益证明共识算法于2011年在 Bitcointalk 论坛上首次提出，作为解决工作量证明（PoW）问题的方案。虽然两者都旨在达成区块链共识，但它们的实现过程截然不同。PoS 参与者只需证明他们已经质押了代币，而不需要提供计算密集型的证明。

权益证明如何运作？

PoS 算法通过伪随机选举过程从节点组中选择验证者。系统使用多种因素，包括质押时间、随机元素和节点的财富。在 PoS 系统中，区块是“铸造”而不是“挖掘”的，尽管有时仍会听到“挖掘”这个术语。大多数 PoS 加密货币在启动时会预先铸造一批代币，以便节点立即开始工作。

参与铸造过程的用户必须将一定数量的代币锁定到网络中作为他们的质押。质押的规模决定了节点被选为下一个验证者的机会——质押越多，机会越大。选择过程中加入了独特的方法，不仅偏向网络中最富有的节点。最常用的两种方法是“随机区块选择”和“币龄选择”。

随机区块选择

在随机区块选择方法中，验证者是通过寻找具有最低哈希值和最高质押的节点来选择的。由于质押规模是公开的，其他节点通常可以预测下一个铸造者。

币龄选择

币龄选择方法根据代币被质押的时间长短来选择节点。币龄通过将代币被质押的天数乘以质押的代币数量来计算。一旦节点铸造了一个区块，其币龄就会重置为零，并且必须等待一段时间才能铸造另一个区块——这防止了大额质押节点主导区块链。

验证交易

每个使用 PoS 算法的加密货币都有自己的一套规则和方法组合，以实现对网络和用户最佳的组合。当一个节点被选中铸造下一个区块时，它会检查区块中的交易是否有效。然后，它会签署区块并将其添加到区块链中。作为奖励，节点将获得区块中的交易费用，在某些区块链上，还会获得代币奖励。如果一个节点想要停止成为铸造者，其质押和赚取的奖励将在一定时间后释放，给网络时间验证该节点是否没有添加欺诈区块到区块链中。

哪些区块链使用权益证明？

大多数后以太坊时代的区块链都使用权益证明共识机制。每个区块链通常会根据网络需求进行修改。我们将在文章后面讨论这些变体。以太坊本身目前正在通过以太坊2.0过渡到权益证明。使用权益证明或其形式的区块链网络包括 BNB Chain、BNB Smart Chain、Solana、Avalanche 和 Polkadot。

权益证明的优势

权益证明相较于工作量证明有许多明显的优势，因此新区块链几乎总是使用权益证明。其优势包括：

适应性

随着用户需求和区块链的变化，权益证明也可以随之变化。这从众多可用的适应性中可以明显看出。这种机制是多功能的，可以轻松适应大多数区块链的使用场景。

去中心化

由于运行节点的成本更低，鼓励了更多用户参与。这项激励和随机化过程也使得网络更加去中心化。尽管质押池存在，但在权益证明下，个人成功铸造区块的机会要大得多。总体来说，这减少了对质押池的需求。

能源效率

权益证明与工作量证明相比，极其节能。参与的成本依赖于质押代币的经济成本，而不是解决谜题的计算成本。这种机制大大减少了运行共识机制所需的能源。

可扩展性

由于权益证明不依赖于物理机器来生成共识，它更具可扩展性。不需要巨大的矿场或大量的能源供应。向网络添加更多验证者更便宜、更简单、更容易访问。

安全性

质押作为验证者不处理欺诈交易的经济激励。如果网络检测到欺诈交易，验证者将失去部分质押和未来参与的权利。因此，只要质押高于奖励，验证者通过欺诈活动获得的代币将少于损失的代币。要有效控制网络并批准欺诈交易，一个节点必须拥有网络中的多数质押，也称为51%攻击。根据加密货币的价值，获得网络控制权几乎是不可能的，因为你需要获得51%的流通供应量。

权益证明的劣势

尽管权益证明相较于工作量证明有许多优势，但它仍然存在一些弱点：

分叉

在标准的权益证明机制中，分叉两边的“挖掘”没有惩罚。在工作量证明下，两边挖掘会导致能源浪费。在权益证明下，成本要低得多，这意味着人们可以“下注”在分叉的两边。

可访问性

要开始质押，你需要区块链的原生代币供应。这需要你通过交易所或其他方式购买代币。根据所需的数量，你可能需要进行大量投资才能有效地开始质押。在工作量证明下，你可以购买便宜的挖矿设备甚至租用它。有了这个，你可以加入一个池并迅速开始验证和赚取收益。

51%攻击

虽然工作量证明也容易受到51%攻击的影响，但在权益证明下，这种攻击可能显著更容易。如果代币价格崩盘或区块链市值低，理论上购买超过50%的代币并控制网络的成本可能很低。

工作量证明与权益证明对比

当我们比较这两种共识机制时，有几个核心差异。工作量证明需要挖矿设备和高能耗，倾向于集中化，通过计算证明来验证交易。权益证明则需要最少或无设备，低能耗，倾向于去中心化，通过质押代币来验证交易。然而，不同区块链上的权益证明机制种类繁多，具体差异将取决于所使用的具体机制。

基于权益证明的其他共识机制

权益证明具有高度的适应性。开发者可以根据区块链的具体使用场景更改具体机制。以下是一些最常见的变体：

委托权益证明（DPoS）

委托权益证明允许用户在不成为验证者的情况下质押代币。在这种情况下，他们将代币质押给验证者以分享区块奖励。更多的委托人在可能的验证者后面质押，增加了其被选中的机会。验证者通常可以调整与委托人分享的金额作为激励。验证者的声誉也是委托人考虑的重要因素。

提名权益证明（NPoS）

提名权益证明是由 Polkadot 开发的一种共识模型。它与委托权益证明有许多相似之处，但有一个关键区别。如果提名人（委托人）在恶意验证者后面质押，他们也可能失去他们的质押。提名人可以选择最多16个验证者来质押。网络将在所选验证者之间平均分配他们的质押。Polkadot 还使用博弈论和选举理论的多种方法来决定谁将铸造新区块。

质押权威证明（PoSA）

BNB Smart Chain 使用质押权威证明来生成网络共识。这种共识机制结合了权威证明和权益证明，让验证者轮流铸造区块。21个活跃验证者有资格参与，由他们质押或委托的 BNB 数量决定。这组验证者每天确定，BNB Chain 存储选择结果。

结语

自比特币以来，我们向网络添加交易区块的方式发生了显著变化。我们不再需要依赖计算能力来生成加密共识。权益证明系统有许多优势，历史已经证明权益证明是有效的。随着时间的推移，看起来比特币将是少数几个剩余的工作量证明网络之一。现在看来，权益证明将继续存在下去。