以太坊如何平稳过渡PoS？矿工噩梦“难度炸弹”或成唯一解

以太坊的创始人把以太坊发展分为4个里程碑阶段：前沿（Frontier）、家园（Homestead）、大都会（Metropolis）和宁静（Serenity）。以太坊目前正处于第3阶段：大都会之拜占庭阶段。自从前沿阶段以来，“难度炸弹”（增加ETH开采难度的协议）就被编入了以太坊区块链。

 “难度炸弹”因何而生？

以太坊的最后一个里程碑（宁静阶段）将带来一个重大变化：以太坊的区块链共识算法将从工作量证明（PoW）变为权益证明（PoS）。也就是说，在以太坊网络能够从PoW切换到PoS之前，必须将矿工从PoW区块链切换到PoS区块链。

试想一下，矿工花费了大量的资金购买设备用于挖矿，然而随着PoS的到来，这些设备将变得一文不值。如果不能阻止矿工停留在PoW上继续挖矿，那可能将会创建三种以太坊加密货币：ETC、ETH-PoW、ETH-PoS，这对以太坊来说绝对是个噩梦。原因很简单，这不仅会降低以太坊的可信度和经济价值，还会稀释整个系统的哈希值比例，使其更容易遭受黑客攻击。

因此，为了确保以太坊的矿工能加入到新的区块链，开发团队引入了“难度炸弹”机制。

2015年8月4日，前以太坊首席商务官Stephan Tual的博客文章首次提及了“难度炸弹”。

“很多人一直想知道我们如何在宁静阶段实现从PoW到PoS的切换。这将通过新引入的难度调整计划来处理，该计划在未来16个月内将平稳地保证硬分叉点......它的工作原理如下：从20万的区块高度（时间约为2015年8月下旬）开始，挖矿难度将开始经历指数型增长，大约一年后，难度会明显增加。到那个时候（大概就是宁静里程碑发布时），挖矿难度的大幅增加将使出块时间变长。”

以太坊在家园阶段的难度调整算法使其出块时间始终稳定在15秒。而"难度炸弹"会使难度系数呈指数增加，从而出块的时间也会显著增加，直到最后几乎挖不出区块，到那时，矿工除了转向新的PoS协议将别无选择。

以太坊“冰河时代”

2016年9月7日，提高采矿难度的协议被引入以太坊网络。根据Tual的估计，到2016年12月，验证区块将变得非常缓慢，慢到以太坊网络上的活动仿佛被冻结一般。这就是“难度炸弹”也被成为“冰河时代”的原因。

然而，到2016年12月，区块时间并没有显著增长。2017年3月，以太坊联合创始人VitalikButerin在Reddit上发布了有关“难度炸弹”的消息：

“事实证明，随着上一次硬分叉（家园阶段）带来的难度调整算法的改变，冰河时代的到来会非常缓慢。从350万的区块高度开始，接下来的10万个区块（约1个月）中，平均出块时间为25秒。”

“再接下来的10万个区块中（约1.4个月），出块时间为35秒；再往下的2.2个月里，出块时间约55秒；再往下的3.8个月里，出块时间为95秒……再往后的26个月，出块时间将达到655秒......最后的冻结直到2021年才会发生（虽然在2017年下半年它就会变得非常烦人）。”

“难度炸弹”原本计划在2017年年底引爆。然而，2017年10月，“冰河时代”再次被推迟。10月16日，以太坊网络升级到大都会阶段，这次硬分叉将“难度炸弹”推迟了4200万秒（1.33年）。因此，到 2018年年底左右，出块时间才可能会增加到30秒。

随着大都会的到来，开发团队将通过其它两个措施使其平稳过渡到 PoS：首先，部署Casper 算法，每 100 个区块将有一个采用 PoS 协议挖出；其次，每个区块的奖励由之前的 5 个 ETH 减少为3个。这些措施是为了在以太坊的最后一个阶段“宁静”到来之前所有的节点都能部署好 PoS 协议并且消除之前遇到的问题。

（图）“难度炸弹”影响下的出块速度变化

PoW  vs  PoS

在PoW机制中，计算机进行算法的竞赛。首先解出答案并将新区块广播到网络的计算机获得新的加密货币奖励和区块中的交易费用。由于先算出答案的计算机将获得奖励，因此矿工有动力尽可能多地使用算力，以便获得区块奖励。然而，为了获得更多的哈希算力，矿工们需要花费更多的资源并支付更多的电力成本来运行采矿设备，这就意味着系统需要消耗大量的算力和电力。

（图）工作量证明与权益证明

PoS：在这个机制里，起作用的是验证者而不是矿工，它的原理是：作为验证节点，首先你必须拥有一定数量的ETH，根据ETH的数量和时间会产生用于下注验证区块的权益。只有拥有权益的节点才能有效验证区块，当你验证的区块被打包进区块链，你将获得和所拥有的权益成正比的区块奖励。如果你验证恶意或错误的区块，那么你所下注的权益将被扣除。由于支持无效区块的行为将受到严惩，因此，相比于PoW机制，个人进行诚实行为的动机更强。

区块链架构师DavidDuccini指出，“采矿过程会对加密货币基础价格持续施加下跌的压力，因为矿工必须将加密货币转换成法币来支付电费并升级采矿硬件。他们主要将加密货币出售给投机者。在基于PoS的区块链中，加密货币持有者直接获得奖励，而且奖励与其持有数量成正比。”

能源成本

在PoS机制的能源成本远低于PoW机制；验证者将他们的资金下注在区块上，而不是通过硬件来解决算法。MLG区块链的创始人MichaelGord说：

“PoS网络总是比PoW网络更高效。 PoS网络的安全由用户在网络上持有token来保证，而不是用户提供算力来保证PoW网络的安全。”

在PoS机制中，采用昂贵的、算力更高的采矿设备并不会让你获得任何优势。这意味着，并不需要花费高昂的电费来测试和支持网络。

David Duccini也表示，因为PoS更高效，所以它优于PoW。

“PoS的优势在于它的能源消耗低，原因在于：第一，它消耗的不是电力，而是持币量及时间；第二，从纯粹意义上来说，因为你是利益相关者，你会关心区块链的长期可行性，这与只是想获得快速收益的参与者完全不同。”

同时，PoS机制也使得进行51％的攻击变得愈加困难和昂贵。 在PoS机制中，您需要购买ETH市场上限的51％ ——有如此雄厚资金来完成此壮举的人并不多，而且，网络受攻击还可能导致自己的损失，这显然是不划算的。在PoW机制中，要进行51％的攻击，必须控制51％的采矿权——这在之前已经发生过：2014年7月，在比特币网络上，名为Ghash的比特币矿池拥有51％的采矿权长达12小时。

在极端情况下，采矿已经“武器化”——将理性的参与者变成了“经济恐怖分子”，动力不足的区块链将遭受攻击。由于Ghash控制了51％的采矿权，理论上，他们有能力控制网络上的交易和重复的支付。

PoS共识算法是否公平？

那么，就经济结构而言，PoS机制与PoW机制有何不同？

在PoS机制中，富人会变得更加富有。在区块链上，拥有更多财富的个人比拥有较少财富的个人获得创建区块和交易费用的机会更大。如果你持有以太坊市场份额的20％，那么你有20％的机会创建一个区块并得到区块中包含的交易费用；如果你持有0.005％份额，则相应的概率为0.005％。

在PoW机制中，与那些无力购买高算力计算机的人相比，拥有更多算力的人能够挖取更多的资源。

因此，无论是PoS或PoW，富人都会聚集更多财富。而且，随着每个新区块被创建出来，财富的差距将越拉越大。

以太坊最后的里程碑

当以太坊升级到宁静阶段（路线图的最后一个里程碑）时，PoS机制将全面展开。在这个阶段，以太坊将成为拥有内置图灵完备编程语言的区块链商业。其编程语言可供其他开发人员，公司和实体用来创建合同，应用程序和系统。

在2017年的发布会上，以太坊开发人员Hudson Jameson讨论了以太坊的路线图。尽管Hudson并未提及宁静阶段何时发布，但他确实说过，当进入最后一个里程碑阶段时，“那时，你将知道什么是真正的重大突破。”

与其他区块链网络和提供数字资产区的块链相关公司相比，以太坊是更类似于商业的区块链网络之一。以太坊的4阶段路线图和白皮书清楚描述了公司计划实现的目标。以太坊白皮书写道：

“以太坊将提供的是具有成熟的内置图灵完备编程语言的区块链，它可以用于创建适用于任意交易功能编码的‘合同’，允许用户创建任何上述的系统，以及其它目前还没未想到的系统。创建系统的方式很简单，只需在用几行代码编写逻辑即可。”

换句话说，以太坊的目标是提供一项服务，允许其它区块链相关公司通过编程来创建他们想要的任何类型的应用程序，产品或系统。 2018年1月13日，在以太坊路线图的执行进度不足75％的情况下，ETH的价值高达1430.81美元。虽然ETH现价仅为400美元左右，但这依旧是很疯狂的现象。

PoS机制的实施将会吸引更多分布式节点的加入，为各种分布式应用的运行打下物理基础，以太坊将有希望成为去中心化领域的app商店，互联网的新时代也将到来。从这个角度来看，Hudson对于宁静阶段的评论听起来不无道理。

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