共识协议:从 PoW 到 PoS,区块链的根基演变的内在逻辑

自从上世纪计算机与密码学技术得到发展以来,人们就梦想着能够找到某种机制,通过数学与代码的方式代替流传的纸币。毫无疑问,这是无比困难的。因为目前已经没有不被国家担保的货币了。货币如何产生、如何记账、如何流转都是难以想象的。比特币的诞生改变了这一切。

比特币最天才的想法不是那些复杂的算法或者密码学证明,而是它是如何将这些组件结合起来组建出一个能够让全世界所有人同意,并且有动力去维护的机制。这个机制其中的一部分就是就是所谓的工作量证明(PoW)共识算法。

工作量证明并不是比特币发明者中本聪的原创。工作量证明的概念是在 1993 年提出的,而在 1999 年,Marcus Jakobsson 和 Ari Juels 正式提出了“工作量证明”一词。

工作量证明解决了两个问题:

一个就是货币从哪来, 另一个则是谁有权力记账。

许多平台都采用了这种共识,若要开采一种特定的数字货币,他们必须花费计算能力。矿工必须解决需要大量精力的复杂数学问题。解决该问题的第一位矿工获得数字货币的丰厚奖励。

该奖励系统可以激励矿工参与计算,并确保网络保持安全;而新铸造的加密货币也被添加到网络上整体流通量中。

交易的代价

这个世界上没有什么是免费的,甚至我们缴纳费用这个过程本身也是需要耗费资源的。对于传统的金融交易耗费的资源可能是主要是人工成本时间和能源。而对于 PoW 共识协议,这样的资源则是计算能力。要想得到这样的计算能力,需要大量的电力。

因此 PoW 被认为是昂贵,浪费和低效的。这是让成千上万的矿工对唯一一种解决方案达成共识的代价——对资源的过度使用。竞争的存在让每个新区块的开采,都造成巨大的浪费。
共识协议:从 PoW 到 PoS,区块链的根基演变的内在逻辑比特币耗电量在国家耗电量中的排名
挖矿非常耗费电力,以至于如果比特币是一个国家,它的电力消耗排在世界的第 47 位,位于以色列和希腊之间。
此外,挖矿过程中使用的硬件通常是高级且昂贵的专有套件。为了达到足够的算力,矿工大量购买这种硬件。以专用集成电路(ASIC)为例,这是一个高度专业化的工具,旨在专门挖掘比特币和其他加密货币。
共识协议:从 PoW 到 PoS,区块链的根基演变的内在逻辑专用矿机
尽管 ASIC 显着提高了采矿过程的效率,但这种利基设备的独特性质使其相当昂贵。这增加了以 PoW 为基础的加密货币平均每笔交易所耗费的成本。
共识协议:从 PoW 到 PoS,区块链的根基演变的内在逻辑1 笔比特币交易与 100000 笔 VISA 交易成本对比
如图我们可以看到,一笔比特币交易与十万笔 VISA 网络交易耗费的能源的对比,显然,比特币交易的平均能源消费成本太高了。

PoW 的内在逻辑与 PoS 的诞生

可以说正是工作量证明与矿工激励机制造成了比特币巨大的能耗问题。然而对于比特币来说,这其实并不是一件坏事。正是由于挖矿的竞争加剧,成本升高,导致了算力的分散,很难再有人有能力掌握足够的算力对网络发动攻击。

实际上矿工激励是协议的关键功能,因为从某种意义上说,它们是保持系统运行的基础。使用了工作证明的系统使得交易不会被伪造,因为所需的数据极难产生。
那么,有没有解决方案即能保持 PoW 的优点又不需要如此大的能耗?
为了理解 PoS (权益证明)的提出,让我们重新梳理 PoW 的过程。
假如您想成为一名矿工,参与加密货币的挖矿,您会怎么做?您需要一大笔资金来购入挖矿设备,例如矿机和 GPU,然后开始挖矿。
那么您挖矿的收益是由什么决定的呢?是由您设备的算力所决定的。而您的设备的算力则是由您购买多少设备所决定的。
可以发现,当一名矿工投入的 资金越多 ,购买的设备的算力就越大,那么最终获得的 收益也就越大 。因此从根本上来讲,挖矿的收益多少是由资金决定的。
既然这样,为何不省去物理挖矿的过程,直接比较矿工的投入资金的多少来决定收益分配呢? 比如矿工甲投入 100 万,矿工乙投入 50 万。在 PoW 的模式下,这样的资金将被投入挖矿设备的购买和电力消费。而现在,不如直接将这些钱用来作为网络的开发、运营,并将投入资金的比例作为将来收益分配的比例与投票权的份额。
这就是权益证明(PoW)的基本思想。而这样的记账方式也被称为虚拟挖矿。

PoS 如何防止攻击

从某种意义上来讲,对于以 PoW 为基础的数字货币,维护其安全的资源不是一个闭环。这是由于矿工可以利用法币购买矿机来获取投票权。也就是说,PoW 的数字货币是可以从区块链体系外部世界得到。尽管比较困难,人们仍然有可能利用区块链外部的资源,比如大量的现金获取足够的算力,对 PoW 区块链网络发动攻击。这对于一些较小规模的币种的打击可能是致命的。

共识协议:从 PoW 到 PoS,区块链的根基演变的内在逻辑
那么,PoS 机制有何不同呢?
在 PoS 中,一个人在区块链中获得的投票权大小取决于他所拥有的加密货币的数量。因此当他想要获取足够的影响力时,他首先需要持有大量的币额。这意味着,对区块链的影响只能从区块链内部得到,这就是所谓的闭环。
试想,当一个人试图攻击 PoS 网络时,首先需要买入巨额的加密货币,这将使得币价快速上升,而攻击的成本也会更加昂贵,这时他为了自己的利益将不会再做对网络有害的攻击。在网络中拥有重要股份的人会为自己的利益而行动,因此从根本上抹杀了网络攻击的动机。为了发动攻击,用户必须购买整个网络价值的 51%。这既昂贵又无意义,用户没有动机去攻击他投入了很多钱的网络。攻击自己显然是不合逻辑的行为。
PoS 不仅大大降低了能源消耗,而且还使得攻击变得非常昂贵。当前,大多数主流权益证明(PoS)链是 PoW/PoS 混合链,而随着 PoS 逐渐成熟,多数公链将会逐渐实现对 PoW 的替代。

共识协议的发展

权益证明将是 Findora 共识协议的一部分。Findora 的共识协议,Finsense,将通过权益和声誉两个渠道来确保 Findora 区块链的安全。经济渠道将使用权益证明协议。基于信任的渠道将被 Findora Constellation 的成员组成,并将以联合拜占庭协议(Federated Byzantine Agreement)的形式达成共识。Findora Constellation 是支持 Findora 共识协议中声誉渠道的一组节点。
在主网上线初期,Findora 基金会将提名 Findora Constellation 的成员,优先考虑各种全球实体,这些实体将增加声誉和机构信任,以引导 Findora 主网。随着网络的成长,Constellation 将会变成一组完全分散并开放的节点集。联合拜占庭协议是联盟链常用的传统拜占庭容错(Byzantine Fault Tolerance)共识的一个扩展,允许每个节点选择自己信任的其它节点,这些互相信任的节点被称为 Quorum set。联合拜占庭协议相对于传统拜占庭容错共识有更好的开放性,不需要每个节点都信任整个网络的 2/3 节点。PoS 相对于 FBA 又更加具备开放性, 但是更加依赖经济模型设计和治理体系的设计,因此其安全性更依赖于网络实际运作的状况。这样的双重共识机制为区块链的安全性与可操作性带来了更多的保证。同时,Findora 具有灵活的可更新系统,可以确保 Finsense 能随学术界的最新共识研究成果同步升级,以获得最佳安全性,吞吐量和其他功能更新。
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