为什么说POS比POW更适合加密货币?

实践证明,比特币等加密货币背后的工作量证明算法既低效又昂贵。因此,开发者们开始关注一种更快速更高效的算法:权益证明。

撰文:Lucas Mearian

编译:sky

区块链分布式账簿的工作方式是将一系列电子记录连接起来,每一条记录都和之前的记录紧密相连;而每一批新的条目(即“区块”)都要通过一个共识流程后,才能标记时间戳,写入区块链。

在区块链上验证新记录和管理网络变动的两个最常见的机制或协议是:工作量证明(PoW)和权益证明(PoS)。

顾名思义,PoS共识模式能让拥有最多数字货币(最大权益)的人掌控一种加密货币或商业区块链账簿。但目前为止,市面上最常见的区块链加密货币(比特币、以太币和莱特币)使用的共识机制都是PoW。

但这种情况不会持续太久了。

工作量证明协议

原因如下。PoW算法会迫使计算机消耗CPU算力,求解复杂的加密方程式,然后它们才能获得授权,在区块链加密货币中加入数据;而其中最快完成方程式求解的计算机节点会得到加密货币(如比特币)作为奖励。通过PoW机制获取加密货币的过程被称为“挖矿”。

问题:PoW过程会消耗大量电力,一方面是要全天候运行处理器,一方面是要为服务器集群降温。这些矿场会占用太多电力,以至于许多城市(乃至国家)已经开始打击挖矿行为。

另外,求解数学难题的过程很漫长,从而导致PoW协议的效率极其低下;因此,要在一个商业分布式账簿或加密货币网络(如比特币)中批准一个新条目,常常需要10分钟甚至更长的时间。

试想一下,一笔资金转账要10分钟才能完成结算,这是多么低的效率。

权益证明协议

相比之下,PoS算法能在几秒、甚至更短的时间内写入新的区块链条目。

“权益证明算法绝对有可能取代工作量证明,”卡内基-梅隆大学计算机科学系的副教授维普尔·戈亚尔表示。“但目前还有一些重大的研究挑战有待克服。”

比如,以太坊去年在一个名叫“Casper”(《鬼马小精灵》中的那个友好的精灵)的测试网络中引入了PoS机制。这里的PoS共识机制会创建“担保验证人”,即用户,这些用户必须预存一份安全保证金,才能成为区块链共识或投票社区的一员。只要担保验证人在区块链中诚实行事,他们就能留在共识社区;而如果他们企图欺骗系统,他们就会失去自己的权益(钱)。以太坊的Casper权益证明系统能让共识机制在大约4秒内完成新交易。

PoW算法相对容易实施,PoS协议目前则面临一系列微妙的挑战,据戈亚尔介绍,其中最困难的一个挑战被称为“后部腐败”(posterior corruptions)。此类腐败会损害一个区块链的真实性。

假设有一组当事方在一个区块链中掌握了多数权益,然后卖掉这份权益。在PoS系统中,那些实体仍可继续掌握过去赋予它们管辖权的密匙,并可利用该权限在当前的区块链之外生成一个新的区块链(所谓的分叉)。戈亚尔表示,如此一来,他们就可以继续握有过去的金钱权益,仿佛从未卖掉过。

戈亚尔说:“这个问题只出现在权益证明中,而且似乎很难解决。正因为有这样的问题,以太坊已多次推迟向权益证明的切换,他们在等待一个满意的解决方案。”

对PoS的另一项批评是,据法律事务所Reed Smith LLP的一篇研究论文,矿工权益的数量意味着权力有可能被集中在少数节点上,这会增加信息被篡改的几率。

区块链是如何管理的

福里斯特研究公司的首席分析师玛莎·贝内特表示,对于任何企业区块链方案而言,找到一个恰当的管理模式都是最大的挑战之一。她说:“我知道有一些项目就是因为找不到能达成共识的管理模式而半途中止,或干脆无法起步。”

数字货币网络Decred的创始人杰克·雅克姆-皮亚特相信,最佳管理模式是混合使用PoW和PoS机制。

Decred使用一种随机的“票务”系统,让经过加密验证的、在网络中拥有数字货币的用户可以选择成为共识社区的一员。

雅克姆-皮亚特表示:“如果使用传统的权益证明…,每隔一段时间,你会得被叫来参与其中,而我们采用的选择加入系统能让你主动而自愿地加入系统。”

如传统的彩票或一切跟几率有关的游戏一样,这里有一个随机流程,能在数千名能为前面的区块的工作量证明投票的人当中选出5位持票人,由他们来判断它是真实可信的还是居心不良。

“投票过程需要一台电脑在线投票,”雅克姆-皮亚特表示。“投下一票,你就会得到一份奖励(数字货币)。”

不论PoS投票者是批准还是否决区块链上的PoW条目,Decred系统都会予以尊重。

“如果你是一名工作量证明的矿工,而你通过耍花招导致我们的网络出现问题,那么网络上的权益持有者就能惩罚他们,夺走他们的奖励,”雅克姆-皮亚特说。“你还可以投票决定共识规则的变更。”

“这会成为加密货币的争端解决机制和重大事件的决策机制,”雅克姆-皮亚特表示,他指的是新软件的发布等区块链变更事件。

PoW和PoS有何不同

建立在PoW系统之上的区块链分布式账簿需要大量的算力来求解随机而且相对困难的数学方程式,以证明节点的合法性。这有点像我们输入验证码的过程。

由此消耗的时间和算力注定会让针对区块链的花招得不偿失。

相对的,权益证明协议(顾名思义)则是让掌握最多数字货币的人来验证新的数据区块。这里的投票权源于你手中的货币,而非算力。

PoW和PoS也是区块链网络的管理模式。一个区块链要想执行任何变动,必须有过半数的节点达成社区共识。因此,区块链在实施一项软件升级前必须得到过半数节点的批准;这一点被称为共识机制或共识算法。

“这很像股东在企业里的投票方式:你掌握的股权越多,你投的票就越重要,”戈亚尔表示。“如果有人掌握了系统中过半数的权益,以后的事基本就是他说了算了。”

公共区块链VS私人区块链

但如果由单个节点、甚至一小批节点掌权,公共(或公开)区块链将失去价值;因此,对于加密货币区块链而言,确保控制权的公平分配是有益的。

另外,比特币、莱特币和以太坊等公共区块链网络也仰赖于一种由核心软件开发人员牵头的“非正式”管理形式。“随着平台持续演化,这种管理形式要如何跟进,将会是一个重大挑战,”贝内特表示。

超级账簿(Hyperledger)则不同,这是一个基于Linux Foundation开发的开源区块链平台,致力于为企业提供在分布式账簿中交流数据的服务,它会从大量的社区积极参与者当中选出一批开发人员,由他们决定应该加入什么功能、如何加入、何时加入等。

管理模式允许区块链暂时或永久“分叉”,以生成一批新的区块。硬分叉是永久脱离先前的区块链;软分叉则是临时变更,可向后兼容。这就像一列火车通过道岔切换轨道;在区块链中,管理道岔的是对这一铁路服务拥有权力的多数人。

不同的区块链及相关加密货币可使用不同的PoW或PoS协议:比如,比特币使用的是Hashcash工作量证明算法,莱特币使用的是scrypt算法。

据戈亚尔介绍,市面上也有一些较小的基于PoS的加密货币,比如点点币(peercoin),但是没有一个能在规模上与比特币或以太坊相提并论。

加密货币是人人都能参与的公共区块链;不存在中央权力或管理当局。网络的使用者们通过投票来批准新的区块或软件变更,由此决定网络的管理走向。

区块链也可以是私人的、“需要权限的”(permissioned)和中心管理式的,可以只授权给一批经过审核的用户使用。企业会使用区块链在内部或经过审核的商业伙伴中间分享数据,这些就是需要权限的分布式账簿。

市面上还有一些其他的共识算法,其中一些更有前途。比如空间证明(Proof of Space),这里的依据一个节点有多少数据存储空间来分配投票权。“我知道一些正在研发的系统似乎大有可为,”戈亚尔表示。

据贝内特介绍,现在还有运行时间证明(PoET)以及其他形形色色的证明算法,但其中多数尚未得到验证。

此外还包括Tendermint、Algorand及一些包含不同拜占庭容错算法的共识模式,以及Round Robein和Gossip等协议。

“其中许多都不是新东西,只是有了新的用法,”贝内特表示。“每一种共识算法都有利有弊;通常表现在可扩展性和保密性方面。”

虽然PoW和PoS各有优势,但当前的一切区块链要完成两者间的切换,无疑都会被视为一次硬分叉,从而可能对投资者产生重大影响。但为了提升扩展性、速度以及效率,整个行业最终可能不得不认真考虑方向的变更。

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