PoS系列(二) | 從「非主流」到主流：PoS共識演變_KING

眾所周知，區塊鏈本質上是一種分布式賬本技術，如何讓同時參與記賬的多個節點保持賬本的一致性是區塊鏈的核心問題之一，不同的公有鏈會采用不同的共識機制來解決這一問題，而現有主流共識機制的共同點在于他們的目標都是能夠隨機選出出塊者，使其擁有記賬權并出塊。

先來回顧一下PoW是怎么做的

以比特幣為代表的PoW共識機制利用的是哈希函數計算的不可預測性，這種不可預測性需要礦工不斷地嘗試計算來解決給定的數學問題，計算正確的概率是完全隨機的，這為隨機出塊提供了良好的保證，同時每個出塊者都需要付出大量計算的工作量，這也是PoW名字的由來。但隨著越來越多的算力參與挖礦，挖出新區塊要求的算力越來越高，其價格高昂的挖礦設備及對電力的大量消耗常為人所詬病。并且，礦工為了收回硬件和電力成本，通常會將挖出的比特幣立即在交易所賣掉，使得礦工與持幣者身份的重合度并不大，他們之間利益的沖突也對社區生態發展不利。

PoS機制的誕生

在PoW機制下出塊概率與算力量的大小有關，后來者則嘗試以持幣量代替算力量作為證明的依據，其研究均指向一個問題：在不消耗物質資源的情況下，我們可以達到PoW的安全級別嗎？在2011年ProofofStake的概念由一位名為QuantumMechanic的網友在著名比特幣社區Bitcointalk論壇首次提出。文章預見性的提出了很多現在仍在使用的方案，諸如由持幣量代替算力權重，委托權益，獎勵分配等等。

數據：Purpose EtherETF增持588.39枚ETH:據歐科云鏈OKLink數據顯示，截至今日10時，Purpose Bitcoin ETF持有的BTC數量為19393.90枚，較前日減持56.49BTC；Purpose Ether ETF持有的ETH數量為53172.18枚，較前日增持588.39ETH。[2021/6/3 23:07:10]

第一個將PoS機制的思想應用在實際區塊鏈項目中的是由SunnyKing主導設計的點點幣，自2011年QuantumMechanic提出PoS到SunnyKing于2012年8月將其實現經歷了一年多的時間，Peercoin的市值也一度達到所有加密貨幣市值的第三名，僅次于比特幣和萊特幣，但由于沒有投資支持，也缺乏進一步開發的資源，之后Peercoin的市值一落千丈。在隨后的2013-2015年，未來幣、黑幣、影子幣等應用PoS機制的加密貨幣相繼出現，但又都逐漸消失于視野。

總結這些項目存在的問題，一是PoS的技術當時尚未發展全面，這些項目處于早期探索階段，公鏈運行效果未達預期；二是沒有設置好對PoS礦工的激勵比例，年1%~2%的增發率不能覆蓋礦工的運行成本，除項目剛上線時幣價處于上升階段，吸引了大量礦工入場，而后期幣價穩定甚至遭遇熊市而暴跌，礦工看不到收益紛紛離場，公鏈價值也急劇下跌。

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委托：解決隨機問題并提升staking比率

文章開頭便提到，共識機制的目標在于隨機選出下一位出塊者，而早期的PoS機制并不能很好地解決這一問題，他們往往以區塊鏈中一個隨人行為變動的參數作為隨機種子，再根據此隨機種子生成偽隨機數，這使得隨機數被預測甚至操縱成為了可能。2013年12月BM首次在論壇中談及可以由持幣人按權益投票選擇出塊人的方式來解決隨機問題，因為參與人數眾多的投票結果的確是一個不可預測的人行為事件。這種讓持幣人以代幣質押、投票的方式將驗證區塊的權利委托給專業節點的機制，被稱作DPoS。BM隨后便將其應用在了Bitshares項目中，搭建了適用于DPoS架構的石墨烯平臺，這種石墨烯技術后來成為了DPoS機制的通用底層，BM隨后的兩個項目Steemit、EOS，還有LOOM等項目均基于石墨烯平臺搭建DPoS公鏈。

動態 | 牛市引入BOOM 項目并開啟BOOM POS合約:據BOOM官方消息，BOOM上線4家交易所，分別為牛市、幣可富、SHARE和NNMEX交易所，首期參與BOOM POS合約的項目有環球文藝鏈(GABA)、巴特幣 (BTS)、泰坦計劃（TITAN）、ATHENA（ATN）和未來傳輸（NNFC）。

BOOM是由全球區塊鏈金融發展聯盟發起的項目，任何一家機構、交易所、項目方、社區組織者都可以加入BOOM去中心化金融系統，BOOM作為全球第一個基于區塊鏈金融交換需求的基礎應用，將區塊鏈技術與金融行業進行結合，通過金融激勵方案賦能金融項目。[2019/12/13]

EOS、Tron等DPoS公鏈均設置有固定數量的超級節點，只有投票數排名名列前茅而當選超級節點才能擁有出塊權，雖然持幣人投票理論上是一種隨機的過程，但也滋生了拉票、賄選等現象，同時投票狀態確定后這一類DPoS公鏈的超級節點將按照固定順序輪流出塊，而并非隨機出塊。這一類公鏈的去中心化程度也因此備受爭議。

DPoS機制的另一類發展方向是保留持幣人質押、委托給節點的機制內核，但是不對節點的數量做限制，同時每次出塊時依然對節點按權益比例做隨機選擇。像Tezos、Wanchain這樣的新項目，以及Cosmos這樣的熱門項目，成為其節點需要滿足公鏈設置的一定的要求，但是對節點數量不做限制，一般要求質押規定數量的代幣并滿足節點運行的計算機配置即可。由于委托/授權這種機制的存在，沒有足夠數量代幣或缺乏穩定運行節點條件的持幣人也可以通過staking參與挖礦并獲得分紅，因此DPoS的機制極大地提升了全網staking比率，部分公鏈已經達到80%甚至90%以上，這相比于上一時代的PoS公鏈無疑已有了極大的進步，使得公鏈安全性有著極大的提高。

聲音 | V神：PoS將使以太坊比比特幣更加安全:Vitalik Buterin在以太坊開發者大會Devcon 5上表示，在以太坊區塊鏈中實施權益證明（PoS）共識算法后，潛在攻擊的成本較高，以太坊將比比特幣更加安全。（cointelegraph）[2019/10/12]

大部分PoS公鏈均意識到了staking分紅對持幣者的激勵效用，因此新項目往往在機制上就內置了嚴格的分發比例與分發規則，如Tezos以及SunnyKing最新操刀項目V?System，而不同于以往DPoS項目中依靠節點來承諾收益分紅比例。

學術“奇物”的應用：BFTPoS

拜占庭容錯算法來源于1982年的拜占庭將軍問題，其本質是一個可妥協的通信網絡中實現分布式協議的問題，在互聯網時代只需要解決故障容錯，因此BFT算法并無作用，而一直沒有被學術界外所知曉，直到中本聰將其設計在區塊鏈方案中。第一次應用在PoS公有鏈環境中則是JaeKwon提出的Tendermint算法，讓人驚喜的是BFT算法與PoS機制似乎體現出了極好的相性，BFT容錯能給分布式網絡帶來了可觀的抗風險能力，并極為強調網絡一致性，使得區塊確認具有最終的確定性，帶來了較快的區塊確認速度并解決了分叉問題。如果純PoS相比PoW僅僅解決了能源消耗，那么BFTPoS相比純PoS，就進一步解決了PoW的交易確認、交易分叉、性能低等問題，帶來的飛躍是不可忽視的。畢竟相比于區塊鏈短短十年的發展時間，BFT算法的安全性研究已經過去了30年。

現場 | 以太坊核心研究員Karl Floersch: PoS共識機制帶來的機遇和挑戰:金色財經9月8日現場報道，在香港召開的以太坊行業峰會（ETHIS）上，Karl Floersch介紹了以太坊過去幾年的進展以及數字貨幣經濟是如何一步一步推進的。從技術角度開始，通過社交網絡模型講解信息傳遞和同步的概念，引出運用時間戳概念和PoS共識機制將有效解決作惡節點的雙花問題。[2018/9/8]

雖然BFTPoS混合共識機制在2014年被提出，但真正在主流項目上落實的時間較晚，2018年EOS在最新版白皮書中對其共識機制作出升級，從DPoS升級為BFTDPoS，一個月后Tezos的類BFTPoS機制也上線，同時以太坊最有可能選擇的PoS機制——由Vitalik?Buterin帶領實現的CFFG算法，也應用了BFTPoS的思想，而Tendermint的提出者JaeKwon所創立的Cosmos主網也在2019年上線，另一個即將上線的跨鏈項目Polkadot的GRANDPA共識也確認為BFTPoS共識。雖然落實時間較晚，但近兩年應用BFTPoS機制的項目卻呈現出井噴之勢，且不乏熱門明星項目，因此BFTPoS共識機制預計將成為未來幾年內的流行機制。

未來的路：更安全，更高效

公鏈的性能主要由安全、高效、去中心化三方面衡量，在共識機制升級之前的EOS被認為是犧牲了去中心化程度而提升高效度，也因此有了三方面高性能不可能同時達到的“不可能三角”論，但在共識機制升級為BFTDPoS后，以及其他類BFTPoS項目上線，DPoS公鏈的去中心化程度逐漸提升，機制也逐漸完善。未來PoS機制發展的重點，將是在保證去中心化的基礎上繼續提升安全度與高效度。

安全度主要包括兩方面，一是出塊者選擇的隨機程度，二是區塊驗證的參與度。雖然DPoS機制及隨機數算法部分解決了隨機問題，但真隨機數生成依然是一個幾乎不可能完成的挑戰，因此現有的隨機選擇節點依然常被質疑是偽隨機而存在安全隱患。現在市值第二大的PoS公鏈項目Cardano便致力于解決隨機數問題，其創造的Ouroboros共識算法被認為是第一個具有科學憑證其安全性的權益證明協議。而MIT機械工程與計算機科學系SilvioMicali教授與合作者提出的Algorand協議應用了一種新的拜占庭共識協議，可以證明每一輪參與投票驗證人都是隨機選取，相比以往PoS共識都更隨機、不可預測，也就更難以被操控。這是PoS共識在隨機性上的發展。

在區塊驗證的參與度上，大部分項目通過高收益率來吸引社群參與staking，部分新項目則在系統與機制上進行了特殊的設計，比如讓投票更加便捷，分紅規則更加細致透明。Cosmos則設計出全網staking比例低于2/3時年增發率達22%，高于2/3時年增發率為7%，以此激勵持幣者參與staking，最終全網staking比率達74%，為Cosmos的穩定運行提供了保障。

Cosmos代幣價格及staking年收益率

圖表來源：stakingrewards.com

而在性能上，EOS目前已經可以做到500ms出塊一次，且由于不會分叉，出塊即確認，而不是像比特幣一樣需要等6塊也即一小時才能確認交易，性能做到了極大地提升。對于未來的跨鏈生態，現在的熱門跨鏈項目Cosmos和Polkadot也均應用BFTPoS共識，作為跨鏈的基礎設施。PoS項目無疑比PoW項目有著更好的性能表現，且隨著BFT算法、網絡通信技術的不斷發展，性能還會進一步提高。

部分圖片源自網絡

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