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刨根问底,PoS 真的比 PoW 好吗?| 深度长文

2019-05-14

“随着 PoS 日益受到关注,可以预期在不久的将来,PoS 的比例将会超过 PoW”

本文作者 stakingrewards.com,由 Cobo 原创编译

本文共 7268 字,预计阅读时间 18 分钟

为了深入理解 Staking 和 PoS(权益证明),本文中我们将把它与当前最主流的共识机制——PoW(工作量证明)进行比较。

目前大多数公链采用的都是 PoW ,但随着 PoS 日益受到关注,可以预期在不久的将来,PoS 的比例将会超过 PoW。

现在几乎所有新推出的公链都是基于 PoS,甚至连第二大公链以太坊也将在下一次重大升级中转向 PoS。这是为什么呢?PoS 真的比 PoW 好吗?

PoS 的确在一些方面优于 PoW,在下文中我们将从几个维度对二者进行比较分析。

一、PoS 的定义

首先,让我们来解释一下基本概念。

| PoW 和 PoS 是两种不同的算法,它们决定分布式网络中的共识,以及如何奖励共识维护者。

换句话说,PoW 和 PoS 阐述了如何发行新币为网络提供激励,奖励那些提供资源的共识维护者。这些币的价值背后都有资源支撑(矿机、ASIC 芯片或者一定数量的币等),而且拿到奖励的前提是你必须付出诚实的行动。不管是BTC、ETH,还是XTZ,皆是如此。

你也许会说:在网络中提供或锁定某些资源,同时承担一定风险,这听起来很像 Staking 。没错,的确是这样!

PoW 其实可以用 PoS 的逻辑来理解,花钱买矿机设备和电力就相当于 Staking 的一种形式。我们可以进一步总结为,Staking 是一种传统的经济形式——投入资本以获取回报。

尽管这样理解在某些情况下也不算错,但我们还是回到二者的定义和它们的核心区别上来。

PoW 网络的安全性来自于哈希算力,理论上算力越大收益越高,具体可参考比特币的矿工和矿池。

PoS 的安全性来自于抵押经济的价值,理论上 Staking 的数量越高收益越高。(之所以说“理论上",是因为 Validator 的选择是随机的,这样可以避免过于中心化。)

尽管每个共识协议都不尽相同,但仍有一些基本原则可供我们来比较。

接下来,我们将通过发展趋势、可扩展性、网络安全、去中心化、成本、治理、社区参与、冷启动、环保多方面对 PoW 和 PoS 进行比较。

二、发展趋势

尽管 PoS 比 PoW 的历史短,在整体市场中份额也小,但它正在飞速地发展。 

实际上,按市值计算的前三十名加密货币中有十三个已经使用了 PoS 或类 PoS,包括 EOS、Stellar、Tron、Dash、Neo、Binance Chain、Ontology、Tezos、NEM、VeChain、Waves、Qtum、Decred、Lisk,另外还有三个(ETH、Cardano 和 OmiseGO)正在转向 PoS。

这也意味着市场前三十的币种中有超过一半在使用 PoS。另外,几乎所有的第 二层解决方案都在使用 Staking 机制。甚至连比特币的闪电网络也可以被认为是 PoS 的某种形式:一些中继节点把比特币 stake 起来,帮助用户通过通道进行交易,并从中赚取一些手续费。

  • 总 Staking 市值:> 160 亿美元

  • Staking 中锁定的总价值:> 50 亿美元。

  • PoS 市值占比:9.80%

  • 除 BTC 和 ETH 外,PoS 市值占比:26.6%

刨根问底,PoS 真的比 PoW 好吗?| 深度长文

(来源:Stakingrewards.com 29.04.2019)

这些数字还在持续增长,而且许多人预计 PoS 链的总价值将在今年年底达到 500 亿美金。随着 Binance Chain、Cosmos 和 Polkadot 将各种项目转移到 PoS 区块链协议,以及 ETH 2.0的推出,PoS 链的总价值可能会超过这一规模。

权益证明(PoS)似乎正慢慢占据整个市场。

三、可扩展性

谈及可扩展性时,必须要考虑到交易吞吐量和交易确认时间。

交易吞吐量:出块时间和区块大小限制了网络的交易吞吐量。采用 PoW 机制的比特币出块时间大概是十分钟,其它币种短一些,以太坊可以减少到十五秒,交易吞吐量也会随着出块时间的减少相应略有增加。

在 PoS 共识维护者(比如 Validator、区块生产者)的共同努力下,由于出块时间短了很多,交易吞吐量平均要比 PoW 高出很多。

举个例子,Tezos 已经能实现每秒 40 笔交易(40 TPS)。DPoS(委托权益证明)中的EOS、TRON甚至已经可以处理超过 1000 TPS 的交易。

刨根问底,PoS 真的比 PoW 好吗?| 深度长文

(来源:https://blocktivity.info/ )

交易确认时间:交易确认时间也是区块链可扩展性一个重要的衡量因素,尤其是在商业环境中。在 PoS 共识机制中,交易速度更快,甚至在某些场景下的几乎能实时确认。

四、网络安全

众所周知,早在 2009 年比特币作为 PoW 的先驱就已启动,并稳定运行了十多年,后来的很多其它数字货币也都采用了 PoW 共识机制。十年来,PoW 已成为一个公链设计模版,历经多次攻击,可靠性和安全性久经考验。

短期内 PoW 可能受到挖矿垄断的威胁,通过购买外部设备提升算力,发起 51% 攻击。但对于比特币来说,购买哈希算力来实现此类攻击几乎是不可能的,但对于一些小规模的 PoW 链,像 Verge、ETC 则是可行的。

如果要估算对比特币实施 51% 攻击的成本,我们首先要考虑硬件和电力成本。

  • 总哈希算力: 50,000,000 TH/s

  • 蚂蚁矿机 S9 当前价格: $300

  • 蚂蚁矿机 S9 哈希算力: 13 TH/s

  • 51% 攻击的硬件成本: $1,153,846,153 USD (约占网络价值的 1.11%)

PoS 和 Staking 还是新鲜事物,虽然像 PeerCoin、Ardor 这些币已经存在了很长时间,但是第一个主流 PoS 链 Tezos 直到 2018 年夏才上线。

PoS 币还没有做过严格的压力测试,所以我们也不知道可能将面临什么样的问题。

以下列举一部分 PoS 可能面临的攻击:

长程攻击 Long Range Attack

长程攻击就是攻击者创建了一条从创世区块开始的长区块链分支,并试图替换掉当前的合法主链。该分支上可能存有和主链不同的交易和区块,所以这种攻击又被称为替换历史攻击或历史覆写攻击。

无利害攻击 Nothing at Stake Attack

PoS 网络还存在无利害攻击。不像 PoW,PoS 运行多条链的成本很低,Validator 可以向多个链投票而不会遭受任何损失,这就违反了共识协议。

51% 攻击 51% Attack

你可能以为发起 51% 攻击需要持有总币量的 51%,但是在一些 PoS 网络中,只需要最少 33% 的 stake 资金就能发起这样一场攻击。

而且如果能吸收他人投票,攻击者甚至都不需要用自己的币去发起攻击,他们甚至还可以通过购买或贿赂的方式来获取投票。

还有一点就是,我说的这 33% 不是该 PoS 币总供给量的 33%,而是 Staking 资金池的 33%。这样来算的话,发起 51% 攻击所需要的币量会更少。

低 Staking 参与率 Low Staking Participation

如上所说,在一些 PoS 网络中,只需要质押活跃在资金池中 33% 的币量就能发起一场 51% 攻击。比如,stake 率为 25%,33%* 25%=1/12,即发起一次攻击只需要该 PoS 币总供给量的 1/12。

私钥攻击 Private Key Attack

私钥联网后一旦被获取,攻击人就会获得 Staking 资金的所有权和签署交易的权利。即使私钥不直接控制所有 Staking 资金,获得了私钥就获得 Validation 和 Staking 的权力,方便发起攻击。

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所以说,PoS 网络中一个很大的安全风险存在于把网络价值(stake)转移到 Validator 的过程中,这期间可能导致的高度中心化和网络攻击。只要拥有大量资源,就可能通过购买选票或 Validator 的垄断组织来发起一场攻击。

LISK 就在发生类似的情况,Validator 成立了几个组织来操控激励份额。EOS 的 Validator 还制定了 EOS 宪法,规定投票者不能获得任何的奖励。

大家请留意以上提及的几种攻击,部分 PoS 在设计之初可能针对这些攻击有所预防,但目前 PoS 仍然没有经历过实际的压力测试。

像 Elastos 这样的混合共识机制也已经开始出现,出于安全考虑,它在挖矿中使用比特币作为母链,同时又有着类似 EOS 的 DPoS 共识算法。这样的混合共识机制也值得探索。

五、去中心化


PoW

PoW 挖矿依赖机器设备,这些设备有较高的门槛,并且技术被少数公司垄断。

挖矿也是一项艰巨的工程,因为购买 ASIC 芯片属于长期投资,不像 PoS 资金那样具有流动性。

而且现在挖矿的利润又很低,只有那些拥有硬件技术和廉价电力的大型企业才能有利可图。

PoS

与 PoW 不同,PoS 共识机制的核心是网络中的币,这些币可以在交易所甚至 OTC 市场大量购买,不需要通过挖矿获取,所以参与 Staking 几乎没有门槛。在 PoS 共识机制中,超级节点可以通过运行和维护网络获得奖励,所以运行节点的动机是很高的。

虽然不是所有人都愿意或有能力去运行节点,但是 Staking 机制对于去中心化是很重要的,因为 PoS 允许所有持币人在没有运行节点的情况下投票并参与共识。

不过你会不会认为在 PoS 共识机制下富者恒富呢?和 PoW 相比,其实不然。在 PoW 共识机制中,“富者恒富”的法则更明显,有钱的矿工可以买很多 ASIC 矿机,他们有资源优势并享受高回报。PoW 的大矿工享受规模经济下的回报;但对于 PoS Staker 而言,只有线性收益。

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(来源:3IQ研究组)

六、成本

讨论成本,我们得从三个方面来考虑:

  • 链上交易成本

  • 维护区块链所需要的资金成本

  • 补偿 Validator 或矿工所需要的通胀成本

链上交易成本

在公链上存储数据是极其昂贵的,每个字节都需要传送到区块链网络里的每个节点,并被这些节点储存。

在 PoW 共识里,比特币交易的成本大约为 1.91 美元每笔,以太坊的交易成本约为 0.1 美元每笔,交易成本会随着币价的涨跌变动。牛市高点的某些时候,比特币和以太坊交易费用分别可高达 54.9 美元和 5.5 美元。

在 PoS 共识里,交易费用就低很多。拿 Tezos 举例,每笔交易费用只有 0.01 美元左右,其它像 Cosmos 的 PoS 币也差不多。

现在,我们再来看看维护区块链所需要的成本。

维护一个区块链所需要的成本

PoW 需要高昂的硬件和电力成本,而在 PoS 里,成为一个 Validator 就只需要一台安全&良好运行的设备,和很少的电力成本就可以了。

在比特币网络里,每年所需的硬件维护成本大概是 20亿 美元(这些硬件的寿命大概是 18 个月),电力成本约为 40亿 美元(电力按 0.08 美元每千瓦算)。

这就是说,为了 PoW 网络的正常运行,需要投入网络总价值的 6.5%。而在 PoS 网络里,维护成本仅占网络总价值的 0.1%。

通胀成本

在 PoS 网络里,通胀率约为 6%,而 PoW 网络里,这一比例约为 4%(只是预估)。

区块链的激励设计会随着时间的推进而降低通胀,PoW 比 PoS 存在的时间更久,因此我们可以说二者的通胀水平是差不多的,未来 PoS 的通胀率也会变得越来越低。

在 PoW 网络里,那些不是矿工的投资者并没有一个好的抵御通胀的方法,而在 PoS 网络里,持币者却可以通过币生币获得一定收益。

七、治理

在 PoW 网络里,协议治理可分成几方:

  • 矿工:决定交易信息是否被确认以及该挖哪条链

  • 用户:决定该接受哪个协议,以及使用哪个生态

  • 基金会:决定如何在不同的开发组织间分配资金

  • 节点:决定运行哪个软件并通过 API 向用户提供服务

在 PoW 网络,很难说到底谁持有最大的投票权,因为 PoW 里的投票权很难量化。然而,为了维护网络以及管理巨大的资源和网络,在各方之间依然需要有一个共识。PoW 网络中治理的透明度匮乏使得协议的设计和升级进程缓慢。

PoS 治理也是分布在以上提到的几个群体,但是治理机制更加系统,我们可以遵守一条简单的规则—— 1:1 投票。

而且,在 PoS 网络里,我们可以实施链上治理 (实际上,PoW 网络也可以实现,但目前没有尝试)。链上治理允许我们创建协议或对协议提出改进的建议,还可以在链上进行投票。基于链上投票的结果,协议可自动执行。目前 Tezos 就是采用的这种链上治理机制。

其它治理投票的 PoS 例子还有: 

  • EOS

  • Decred

  • Dash

  • Cosmos 

PoS 治理中清晰透明的投票设计有利于协议变动可以被快速执行。

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八、社区参与

PoW 矿工有着传统的商业思维,他们更愿意投资一种自己熟悉的传统商业模式。对于他们来说,挖矿类似于工厂制造业。挖矿设备就是生产设备,技术越高级,效率就越高。廉价的电力对于挖矿业来说是必要的资源,这些商业模式对于市场价格的依赖和传统工厂依赖钢铁价格一个道理。

这其中当然是有风险的:如果数字货币价格下跌,挖矿可能会变得无利可图。但在大多数情况下,市价抛售所有币也是能赚到钱的。

今天的矿工大多数都是矿机设备和电力有一定资源的人,他们很少有动力参与到社区中来。如果他们真的相信币的价值,直接投资即可回报不菲。直接投资比特币现在的回报已经超过挖矿,我们认为长期这一趋势不会改变。

相比之下,PoS 里的 Validator 更像是投资人,他们需要对所持数字货币背后的技术有很深的理解,同时对协议的发展作出贡献。大型PoS 币种一般都有独立的研究团队。

为了获得更多的投票,这些 Validator 一般需要持有大量的币。通过 Staking 或者提供 Staking 服务,这些资金会被锁定一定时间,如果想动用部分资金,那他们可能不能继续为所有的客户提供服务。

这样 Validator 就成为了长期投资者,他们更有动力驱动技术和价值。激励越高,投入越多。

这就好比早期阶段的创业投资,VC 为他们投资的公司提供支持。这一比喻形象地概括了挖矿投资理论,在 Coinfund 使用后广为传播。

九、冷启动

发行一条公链最好的办法是什么?鉴于代币在公链采用和融资中起到的作用,我们必须考虑到公众通过什么方式获得代币。

发行一条 PoW 链是十分简单的。最初 PoW 的发行量为 0,每个人通过挖矿获得平等的参与权。这个过程看起来相对简单、平等、透明。

为了给持续的协议研究和发展提供支持,还可以像 Zcash 一样成立一个发展基金, 有一小部分的区块奖励直接授予开发者。

PoS 网络的冷启动(Bootstrapping)要更复杂,从一开始,就需要多方都持有一部分权益,ICO 比例在发行前就被决定了。

最普遍的方法是代币发行(ICO 也好,IEO 也好,或者其它的形式),原始代币供应被卖或发给投资者、开发者团队、基金会、理事会等等。

因为参与原始权益分配的大型投资者准入门槛高、同时也可以拿到丰厚回报,这种代币发行一般不太公平,对于社区的普通投资者来说有较多的限制。

代币的授予期通常不透明,而且时常变来变去。这也意味着投资者的权益可能被稀释了,但仍被蒙在鼓里。

另一种发行代币的方法是空投,人们不需要直接投资即可收到一定数量的代币。这种代币空投通常在接收者不知情的情况下发生,而且数量极其少,相比于总量来说几乎可以忽略。由于透明度的缺失,这似乎也不是最好的方法。

除此之外,也有其它一些冷启动方式出现,但依然出于早期阶段,现在很难下结论。其中一个是 Cosmos 引入的类似于“跨链空投”的概念,它是通过硬分区(hard spoon)实现——通过复制一条 PoW 或 PoS 链上的数字货币帐户余额到一条新的 PoS 链上,这条链上的新数字货币具有互用性,并可以拿来做 Staking。

“Hard Spoon:基于一个现有的区块链网络状态形成一条新链;该新链不是和原有链进行竞争,而是提供了更为广泛的访问。”  Tendermint 创始人 Jae KwonJae Kwon

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十、环保

如果我们看保护一条公链的成本,PoW 比 PoS 贵太多了,毕竟设备和电力成本很高。从这个角度来看,PoW 对环境显然不友好。

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尽管如此,我们认为消耗的电力与我们所得到的价值相比还是微不足道的。我们得到的是一个去信任化、全球化、不可篡改、安全度极高的账本。和黄金开采、以及现有金融体系消耗的成本相比,PoW 的成本并没有那么高。如果只看对环境的影响,我们承认 PoS 更优,因为它更环保。

结论

在本文中,我们从几个维度把 PoW 和 PoS 进行了对比。两者都不完美,未来不会出现一种共识机制统一天下的情况。

我们强烈地相信,最终至少有一条 PoW 链会存在,它很可能是比特币。 PoW 链提供了无可比拟的安全性和不可撤销性,而且可以作为全球结算层以及真实数据的一个来源。围绕比特币,人们寄托了很多愿景,同时也存有诸多争议。

越来越多新的区块链协议开始采用 PoS 的安全模型,而且随着以太坊逐渐从 PoW 转移到 PoS,PoS 所占的比例也将大幅增加。

大多数的第二层解决方案也采用 PoS,带动 Staking 的话题在区块链的世界里变得火热起来。

如果我们来看看像 Cosmos 和 Polkadot 这些互动型和应用型的 PoS 链,我们会发现 PoS 甚至会和一些像比特币、门罗币、大零币这样的 PoW 链产生联系。这些 PoW 链需要拥有自己的分区(Zone)、平行链(Parachains)和网桥(Bridges)或者与它们进行联通,间接地成为 Staking 经济中的一份子。

总结一下,PoS 日渐崛起的原因有:

  • 可以赚取 Staking 收益,不被通胀稀释

  • 参与共识的低门槛准入

  • 可扩展性更强

  • 没有规模经济效应,更去中心化

  • 维护区块链成本更低

  • 1:1 投票,治理更透明

  • 对共识维护者(比如 Validator)和社区有更高的激励

  • 更环保

值得一提的是,以上提到的几个优势是有一定代价和成本的。PoS 目前还没有像 PoW 那样可追溯的历史数据。未来,随着整体市场的成熟,我们将会看到PoW 和 PoS 的发展轨迹越来越完整,也更便于我们学习。当然不会出现一链统天下的状况,就像不会只存在一种算法。像 Decred 这种 PoS+PoW 混合体系可能会越来越受欢迎,但这又是另一个话题了。

(本文由 Cobo 原创编译,文章不代表 Cobo 观点)

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