應(yīng)該如何看待公鏈的共識從PoW轉(zhuǎn)向PoS的這股風(fēng)潮

由以太坊為代表的 PoW 轉(zhuǎn)向 PoS風(fēng)潮，可以說是今年區(qū)塊鏈技術(shù)最重要的發(fā)展。PoW 機(jī)制及背后的整個(gè)挖礦產(chǎn)業(yè)，被證明存在種種缺陷與爭議。以太坊率先定下轉(zhuǎn)向 PoS 的目標(biāo)，經(jīng)歷多次反復(fù)調(diào)整迭代，如今終于來到將要落實(shí)啟動的時(shí)刻。

然而轉(zhuǎn)向 PoS 是否真能解決問題？或是將制造更多新的問題？這條路究竟是否走得通？本周 DeepHash 專欄邀請 Conflux 研究總監(jiān)楊光來深入分析。他在文中詳細(xì)比較了 PoW 與 PoS 各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出如果一條公鏈要從 PoW 轉(zhuǎn)向 PoS，可能要面臨到什么樣的挑戰(zhàn)和取舍。而他認(rèn)為，現(xiàn)有的主流公鏈從 PoW 轉(zhuǎn)向 PoS，需要慎之又慎，否則很可能會給整個(gè)共識系統(tǒng)帶來不必要的風(fēng)險(xiǎn)、甚至是災(zāi)難性的后果。

就在幾天前的 5 月 2 日，以太坊核心開發(fā)者會議上宣布，以太坊 Phase 0 Beacon Chain 的代碼將于 6 月 30 日準(zhǔn)備就緒，該升級將啟用一個(gè) PoW/PoS 混合的共識協(xié)議 Casper the Friendly Finality Gadget (“FFG”)—aka”Vitalik's Casper”，這是以太坊 2.0 升級路線圖中，共識機(jī)制從工作量證明（PoW）轉(zhuǎn)向權(quán)益證明（PoS）的第一步。

以太坊共識機(jī)制的轉(zhuǎn)變，不僅是如今PoS 越來越流行的大趨勢的一個(gè)縮影，同時(shí)其作為第一個(gè)由 PoW 轉(zhuǎn)型至 PoS 的主流公鏈項(xiàng)目，想必還會為 PoS 陣營注入一股新鮮的血液，并推動 PoS 共識的發(fā)展。本文接下來就討論一下應(yīng)該如何看待公鏈的共識從 PoW 轉(zhuǎn)向 PoS 的這股風(fēng)潮。

PoW 和 PoS 在共識機(jī)制中的意義

首先需要澄清一點(diǎn)，無論是工作量證明、權(quán)益證明還是任何別的什么證明（PoX），它們本身都是用于抵抗女巫攻擊，并不等同于共識機(jī)制。形象一點(diǎn)來說，它們只用于決定誰擁有投票權(quán)，而最終的共識則要通過統(tǒng)計(jì)得票數(shù)量才能確定。

以大家最熟悉的比特幣為例，工作量證明僅僅證明一個(gè)打包好的區(qū)塊是形式上合法的，最終決定塊中包含的交易是不是有效，還要看這個(gè)區(qū)塊是否處于最長鏈上。這里生成一個(gè)帶有工作量證明的區(qū)塊就相當(dāng)于投出了一票，得到最多投票的那條鏈（也即最長鏈）才是有效的賬本。

同樣基于工作量證明的以太坊，就采用了另一種統(tǒng)計(jì)得票數(shù)量的方式，遇到分叉的時(shí)候不是根據(jù)最長鏈規(guī)則選擇，而是按照貪心的方式選擇可以觀察到的最重子樹，這種共識機(jī)制也被稱為 GHOST（Greedy Heaviest Observed Subtree）。

另一方面，如何決定投票權(quán)在任何共識中都是非常核心的部分?；谕瑯拥目古坠魴C(jī)制的共識協(xié)議常常具有很多相似之處，而更換該機(jī)制也往往意味著整個(gè)系統(tǒng)都需要重新設(shè)計(jì)。所以，很多時(shí)候我們就會簡化地使用”PoW 共識”和”PoS 共識”來對共識機(jī)制進(jìn)行分類。

PoW 和 PoS 機(jī)制的特點(diǎn)

基于工作量證明的 PoW 共識最大優(yōu)點(diǎn)就是安全性高。這個(gè)安全性來源于兩個(gè)方面：一是投票本身的邊際成本比較高，因?yàn)槊看纬晒ν镀倍夹枰瓿纱罅坑?jì)算，在此過程中要消耗很多電力；二是投出的票和投票權(quán)是強(qiáng)綁定的，因?yàn)楣ぷ髁孔C明所需解決的計(jì)算難題是根據(jù)要投給的區(qū)塊計(jì)算得出的，對于一個(gè)區(qū)塊 A 所做的工作量證明無法用于給另一個(gè)區(qū)塊 B 投票。

其中第二點(diǎn)對于安全性尤為重要，因?yàn)樗ＷC了通過工作量證明作出的選擇是無法撤銷、無法修改的，即便是想要修改自己過去投出的票也不行——除非對別的競爭選項(xiàng)重新做出工作量證明，而這需要再次消耗大量時(shí)間和電力等資源，作為之前的投票者本人并不比攻擊者享有任何優(yōu)勢。

PoW 共識機(jī)制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，易于分析和實(shí)現(xiàn)。例如比特幣所用的最長鏈機(jī)制就很容易從博弈論的角度分析普通礦工的行為，從而對其安全性有一個(gè)比較客觀的判斷；另外比特幣判定最長鏈的邏輯也是相當(dāng)簡單的，實(shí)現(xiàn)起來不易出錯(cuò)。

但是 PoW 的缺點(diǎn)也很明顯：首先是能耗較高，這也是 PoW 最被人批評和詬病的一點(diǎn)。例如發(fā)改委就擬將虛擬貨幣挖礦列入淘汰類產(chǎn)業(yè)。盡管有人辯解說現(xiàn)在的挖坑產(chǎn)業(yè)使用的多是因?yàn)榉N種原因難以并入電網(wǎng)、不用就會被浪費(fèi)掉的廉價(jià)電，并且通過 PoW 達(dá)成的共識物有所值，但是這些說法仍難扭轉(zhuǎn)主流觀點(diǎn)認(rèn)為 PoW 挖礦浪費(fèi)能源的態(tài)度。

第二個(gè)缺點(diǎn)是，由 PoW 共識控制孤塊率以保障安全性的設(shè)計(jì)帶來的延遲高、確認(rèn)速度慢、吞吐量低的問題。實(shí)際上這個(gè)缺點(diǎn)可以通過其他基于 PoW 的共識協(xié)議（例如基于 DAG 的 GHOST 協(xié)議和基于樹圖的 Conflux 協(xié)議等）在一定程度上緩解，但是相關(guān)技術(shù)還需要經(jīng)過實(shí)踐和時(shí)間的考驗(yàn)。

最后還有一點(diǎn)是PoW 共識機(jī)制造成的治理難題，特別是當(dāng)?shù)V工的利益和開發(fā)者、用戶的利益相沖突的時(shí)候。現(xiàn)有的治理方式很難在三者之間平衡，處理方式稍有不當(dāng)就有可能導(dǎo)致社區(qū)分裂、公鏈硬分叉。

基于權(quán)益證明的 PoS 共識最大的優(yōu)點(diǎn)就是幾乎完美地解決了 PoW 共識的所有缺點(diǎn)：首先，PoS 對于能耗的需求很低；其次，PoS 的確認(rèn)延遲和吞吐量的主要瓶頸是網(wǎng)絡(luò)通信，不需要像采用最長鏈規(guī)則的 PoW 共識那樣刻意降低出塊速度和吞吐量，通過合理的設(shè)計(jì)就可以把交易確認(rèn)速度和系統(tǒng)吞吐量都提高到比較理想的程度；最后，由于 PoS 共識（DPoS 除外）不需要專門做工作量證明的礦工，只有開發(fā)者和用戶兩種角色，所以社區(qū)的治理相對更為簡單。

然而另一方面，PoS 共識也幾乎失去了前面所說的 PoW 共識的所有優(yōu)點(diǎn)。

在安全性方面，PoS 共識的本質(zhì)要求確定投票權(quán)和行使投票權(quán)是相互分離的，因此可以用同一份投票權(quán)產(chǎn)生兩份不同內(nèi)容的投票，且兩份投票單獨(dú)看上去都是合法的。這直接導(dǎo)致了”無利害攻擊”（Nothing-at-stake attack）和”長程攻擊”（Long-range attack）兩種在 PoW 共識中不曾有過的攻擊方式。

“無利害攻擊”指的是一個(gè)投票者可以同時(shí)給分叉的兩個(gè)分支投票，從而在兩個(gè)分支上都獲得投票收益的問題；”長程攻擊”指的是攻擊者可以通過購買其他用戶私鑰的方式獲得一段時(shí)間以前某次投票的投票權(quán)，如果對應(yīng)于這份投票權(quán)的資產(chǎn)早已被轉(zhuǎn)移，那么攻擊者購買相應(yīng)私鑰的成本將遠(yuǎn)低于實(shí)際持有相同份額資產(chǎn)投票權(quán)的成本。

另外，因?yàn)?PoS 共識中總是先確定投票權(quán)后再決定如何投票，而且受限于通信量，每一輪投票只能選取一部分用戶參加，所以攻擊者也可以定向購買或者以 DDoS 等方式阻塞即將生效的投票權(quán)，從而在特定的輪次獲得遠(yuǎn)高于其持有資產(chǎn)份額的投票權(quán)利，這就是所謂的賄賂攻擊（Bribing attack）。

可以說，每一個(gè) PoS 共識協(xié)議設(shè)計(jì)的過程都免不了同上面所說的幾種攻擊方式斗爭的過程。為此，PoS 共識協(xié)議不得不設(shè)計(jì)出各種復(fù)雜的規(guī)則，來檢測或抵抗這幾種針對 PoS 機(jī)制的攻擊方式，這直接導(dǎo)致 PoS 共識機(jī)制往往都比較復(fù)雜，分析和實(shí)現(xiàn)起來都比 PoW 共識難得多。即便如此，現(xiàn)有的 PoS 和 DPoS 共識（與 PoW共識相比）也都需要在安全性和/或去中心化上做出一些讓步。

從 PoW 轉(zhuǎn)向 PoS 是對是錯(cuò)？

在前面一節(jié)的對比中，我們可以看出PoS 共識相比與 PoW 共識在效率、特別是達(dá)成共識的速度上的提升，是顯而易見的，缺點(diǎn)主要在于更復(fù)雜的協(xié)議設(shè)計(jì)和分析，以及潛在的安全性風(fēng)險(xiǎn)（代理的 PoS，即 DPoS，實(shí)際上放棄了一部分去中心化以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和進(jìn)一步提升共識協(xié)議的性能）。

在理想的情況下，PoS 共識可以只進(jìn)行兩輪廣播即確認(rèn)一筆交易，這是 PoW 共識永遠(yuǎn)達(dá)不到的速度。因?yàn)榘凑?PoW 共識確認(rèn)一筆交易必須等待包含交易的區(qū)塊獲得多數(shù)算力支持，這意味著要等待其他礦工產(chǎn)生足夠多的區(qū)塊，所需的時(shí)間和廣播的輪數(shù)肯定遠(yuǎn)超過理想的 PoS 共識。盡管實(shí)際上的 PoS 共識可能需要多于兩輪廣播，并且每輪廣播的延遲也可能顯著高于由專業(yè)礦工組成的 PoW ***絡(luò)，但是這無法動搖 PoS 共識在確認(rèn)速度方面已經(jīng)體現(xiàn)出的優(yōu)勢及其更高的上限。

在吞吐量方面，PoS 共識所能達(dá)到的上限并沒有顯著優(yōu)于 PoW 共識，甚至可能還要略低一點(diǎn)。但是因?yàn)槠浯_認(rèn)快的特點(diǎn)，PoS 共識獲取高吞吐量所需付出的額外成本可明顯低于現(xiàn)有的 PoW 共識協(xié)議。例如基于 PoW 的Conflux 共識協(xié)議就需要從理論到算法多方面的改進(jìn)，才能在保證和采用最長鏈規(guī)則的 PoW 相近的安全性下實(shí)現(xiàn)較高的吞吐量；而最花時(shí)間的投票過程，在大部分的 PoS 共識中所花時(shí)間實(shí)際上跟區(qū)塊大小無關(guān)，可以通過簡單地?cái)U(kuò)大區(qū)塊把吞吐量提升到節(jié)點(diǎn)處理能力的極限——這樣做的代價(jià)是增加確認(rèn)時(shí)間，不能過分使用。

至于安全性方面，PoS 共識系統(tǒng)的缺點(diǎn)主要在于更多的潛在風(fēng)險(xiǎn)和被攻擊的可能。比特幣的共識機(jī)制的安全性已經(jīng)經(jīng)過了很長時(shí)間的考驗(yàn)，以太坊等主流 PoW 公鏈的安全性和可靠性也已被時(shí)間所證明，但是目前還沒有哪個(gè) PoS 公鏈經(jīng)受過同等水平的考驗(yàn)。無利害攻擊、長程攻擊、賄賂攻擊等多種攻擊方式的存在，也使得人們更難相信 PoS 共識的安全性——即便它們可以抵抗這幾種攻擊，誰又能保證沒有其它尚不被人們熟知的攻擊方式呢？

PoS 共識中投票權(quán)和投票行為不綁定的特點(diǎn)，使得共識參與者可以采取的行動比 PoW 中的礦工豐富得多，這意味著攻擊者有更大的自由度，而且也更難分析其他參與者們會如何行動。

現(xiàn)有的很多 PoS 共識的安全性依賴于”誠實(shí)的大多數(shù)”，但是實(shí)際上很難找到無條件執(zhí)行協(xié)議的所謂”誠實(shí)的參與者”，在現(xiàn)實(shí)世界中的人更接近于經(jīng)濟(jì)學(xué)和博弈論所討論的”理性人”——一個(gè)理性的好人能做到不干損人不利己的事，但是在有足夠大的收益驅(qū)動的時(shí)候都也可能會干違反共識協(xié)議的”壞事”。

因此，一個(gè)安全的 PoS 共識系統(tǒng)除了保證在大多數(shù)參與者是誠實(shí)的情況下是安全的，還必須通過激勵(lì)機(jī)制的設(shè)計(jì)，保證每一個(gè)理性的參與者都會遵守共識協(xié)議，而不是嘗試通過違反協(xié)議獲得更大的收益，這在博弈論中被稱為”激勵(lì)相容的”?，F(xiàn)有的主流 PoW 共識都是滿足激勵(lì)相容的，例如按照比特幣的規(guī)則，只有處在最長鏈上的區(qū)塊的產(chǎn)生者才能拿到挖礦獎(jiǎng)勵(lì)，于是礦工們?yōu)榱双@得獎(jiǎng)勵(lì)就會按照規(guī)則在最長鏈后面挖礦。對于 PoS 共識系統(tǒng)，其本身的規(guī)則就已經(jīng)非常復(fù)雜，參與者們的行動空間又比較大，因此想要深入分析 PoS 共識系統(tǒng)并證明類似的激勵(lì)相容性自然也更為困難。

綜上可以看出，PoS 在安全性上的缺點(diǎn)實(shí)際上更多的是一種隱患而不是不可修補(bǔ)的漏洞，是有可能通過完善的設(shè)計(jì)和精密的分析，做到部分、甚至是全部消除的。在某些合適的場景下，我們甚至可以通過在其它方面做出犧牲的方式得到堪用的安全性。因此筆者認(rèn)為，在 PoS 共識的安全性可以達(dá)到應(yīng)用場景的需求的前提下，使用 PoS 共識替代 PoW 共識是利大于弊的。

另外，原本是 PoW 的鏈轉(zhuǎn)向 PoS，其實(shí)還有一點(diǎn)額外的好處，就是避開了 PoS 共識的公鏈在發(fā)布初期代幣過于集中的問題。通常一個(gè)公鏈項(xiàng)目剛發(fā)布的時(shí)候所有代幣都在開發(fā)團(tuán)隊(duì)和早期投資者手中，這就帶來鏈上產(chǎn)生的收益甚至整條鏈的共識被少數(shù)人壟斷的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，以太坊因?yàn)樵?PoW 共識下已經(jīng)過多年運(yùn)營，其代幣早被分散到大量用戶手中，原本即不存在少數(shù)控制大量代幣的用戶通過 PoS 共識控制整條鏈的問題。

最后，筆者還是認(rèn)為現(xiàn)有的主流公鏈從 PoW 轉(zhuǎn)向 PoS 是需要慎之又慎的。畢竟，現(xiàn)在還沒有一個(gè)公認(rèn)可以安全地替代現(xiàn)有 PoW 的 PoS 共識，貿(mào)然啟用一個(gè)尚未被證明安全的 PoS 共識機(jī)制，很可能會給整個(gè)共識系統(tǒng)帶來不必要的風(fēng)險(xiǎn)、甚至是災(zāi)難性的后果。以太坊社區(qū)顯然也非常清楚這點(diǎn)，所以自從 2015 年 12 月 Vitalik Buterin 第一次提出轉(zhuǎn)向 PoS 共識的計(jì)劃以來，為以太坊升級所設(shè)計(jì)的 PoS 協(xié)議，已經(jīng)歷了多個(gè)版本的反復(fù)討論和迭代，并且規(guī)劃出了先采用 PoW/PoS 混合共識的 Casper FFG，再過渡到純 PoS 共識的 Casper CBC 的升級路線。

在此，我們預(yù)祝以太坊的這次”吃螃蟹”的升級一切順利，可以作為一個(gè)成功轉(zhuǎn)型的榜樣，為整個(gè)區(qū)塊鏈社區(qū)提供更多使用 PoS 共識的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然，即使以太坊在這次升級過程中出現(xiàn)一些波折，也一定會以另一種形式為大家更好地了解和使用 PoS 共識做出貢獻(xiàn)。(本文首發(fā)于DeepTech 平臺每周二之 DeepHash 專欄)

楊光

楊光畢業(yè)于清華大學(xué)姚班，并于清華大學(xué)交叉信息研究院獲得計(jì)算機(jī)科學(xué)博士學(xué)位。加入Conflux 團(tuán)隊(duì)前曾在丹麥奧胡斯大學(xué)、中科院計(jì)算所、比特大陸從事研究工作。他的研究方向包括密碼學(xué)、博弈論和區(qū)塊鏈。他的博士論文曾獲得中國密碼學(xué)會優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)。

“區(qū)塊鏈技術(shù)非常復(fù)雜，而且有很多誤解。更可怕的是，很多人自認(rèn)為了解區(qū)塊鏈技術(shù)，但表現(xiàn)出的卻是無知。學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)有著巨大的責(zé)任去培養(yǎng)下一代的創(chuàng)新者?！痹诙趴舜髮W(xué)商學(xué)院開設(shè)區(qū)塊鏈課程的教授 Campbell Harvey 曾經(jīng)有感而發(fā)地說。

每項(xiàng)新興技術(shù)發(fā)展都有它的周期，愈是可能帶來重大變革的技術(shù)，這個(gè)周期往往也愈明顯。就在區(qū)塊鏈技術(shù)步入所謂“幻滅的低谷”之時(shí)，DeepTech 認(rèn)為，下一個(gè)產(chǎn)業(yè)風(fēng)口，如今正在每個(gè)頂尖高校的實(shí)驗(yàn)室、在各國央行與監(jiān)管機(jī)構(gòu)的研究室，在行業(yè)組織的研討會中醞釀著。

DeepTech 認(rèn)為，此時(shí)才是關(guān)鍵時(shí)刻，身為一家堅(jiān)持深入報(bào)道科學(xué)科技產(chǎn)業(yè)的專業(yè)媒體與科技服務(wù)提供者，我們有責(zé)任也有必要，在這個(gè)時(shí)點(diǎn)上有帶領(lǐng)讀者去撥開迷霧、厘清誤解，培養(yǎng)對區(qū)塊鏈技術(shù)的更深刻認(rèn)知。

因此我們于每周二固定推出 DeepHash 專欄，由 DeepTech 資深編輯林佳誼，邀集千人學(xué)者兼天德鏈創(chuàng)始人蔡維德、分布式系統(tǒng)專家王嘉平、Conflux 研究總監(jiān)楊光、物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈初創(chuàng) BiiLabs 創(chuàng)始人朱宜振等專家學(xué)者共同維護(hù)，每周一次，帶領(lǐng)讀者在技術(shù)研發(fā)、在法規(guī)政策、在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在國際趨勢，方方面面深入挖掘未來 3-5 年真正具有產(chǎn)業(yè)化潛力的區(qū)塊鏈知識。