V神：为什么以太坊会选择PoS？

与POW相比，POS的优势在哪里？

撰文：Vitalik Buterin

编译：Tyronepan-Bifrost Finance

编者按：今天，也就是9月15日，以太坊将发生其历史上最大的协议升级——The Merge，完成之后，共识机制将从POW转向POS。在这个特别的日子，小编带大家回味V神在2020年推特上发布的一篇名为《Why Proof of Stake（Nov 2020）》的文章。V 神认为， PoS （权益证明）共识机制下的区块链网络， 比PoW （工作量证明）更安全，面临攻击的防御措施比后者更完善，且参与验证的门槛更低。

正文：

为什么选择 Proof of Stake (PoS)?

相较于 PoW（工作量证明）共识机制，PoS是一种更优的区块链安全机制，主要有三个原因：

1. PoS 在相同的成本下更安全

最简单的比较方法就是将两者并列，看看每天每 $1 的区块奖励下攻击一个网络的成本是多少。

- 基于 GPU 挖矿的 PoW

租用 GPU 是很便宜的，所以攻击网络的成本只是租到足够的 GPU 超越现有矿工的成本。每 $1 的出块奖励，现有矿工应该花费 $1 左右的成本（如果花费多了，矿工会因为无利可图而退出；如果花费少了，新的矿工可以加入进来，获取高额利润）。因此，攻击网络只需要每天暂时花费超过 $1 ，而且只需要几个小时。

攻击总成本：约 $0.26 (假设攻击时间为6小时)，随着攻击者获得出块奖励，有可能降至零。

- 基于 ASIC 芯片挖矿的 PoW

ASIC 芯片是一种资金成本，可以预期它在磨损、或被更好的硬件淘汰之前还能用 2 年左右。如果一条链遭到 51% 攻击，社区很可能会通过改变 PoW 的算法来应对，如此 ASIC 芯片将失去价值。平均来说，挖矿约 1/3 的持续成本和 2/3 的资金成本。因此，每天每$1 的出块奖励，矿工将花费约$0.33 的电费+维护费，还有约$0.67 的 ASIC 成本。假设一个 ASIC 芯片的寿命约为 2 年，那么矿工需要在该数量的 ASIC 硬件上花费 $486.67 。

攻击总成本：$ 486.67（ASIC）+$0.08（电费+维修费）=$ 486.75

不仅使用 ASIC 芯片挖矿的 PoW 中攻击成本变高了，提供这种高成本攻击防范的同时使得整个网络趋于中心化，因为矿工加入的门槛也变高了。

- 权益证明PoS

权益证明中几乎全部是资金成本（存入的币），唯一的运营成本是运行节点的成本。现在，大家愿意锁定多少资本来获得每天 $1 的奖励呢？与使用 ASIC 不同的是，存入的币不会发生折旧，当质押完成后，经过短暂的等待期便可以取回质押的币。因此，参与者应该愿意为同样数量的奖励支付更高的资金成本。

我们假设，约 15% 的回报率足以激励人们去押注（这就是以太坊 2.0 的预期回报率）。那么，每天$1 的奖励将吸引 6.667 年的存款回报，即$2433。一个节点的硬件和电费成本很少，而一台千元电脑的成本可支持质押几十万元美元的资金，每个月约$100 的电费和网费足以满足这样的需求。但保守的说，这些持续成本占到了质押总成本的 10% 左右，所以每天只有约$0.9 的奖励，最终对应的是资金成本，所以需要把上面的数据减少约 10% 。

攻击总成本：$0.9每天*6.667年= $2189

从长远来看，随着质押率的提高，这一成本预计会更高。我个人预计这个数字最终会上升到 $10000 左右。

维持这种安全体系唯一的“成本”只是在于押注中的资产不具有流动性。甚至可能会出现这样的情况：公众知道这些资产都被锁起来会导致币价上升，所以在社区里漂浮着准备进行投资的资金总量保持不变! 而在 PoW 中，维持共识的“成本”是消耗大量的电力。

- 安全性更高还是成本更低？

有两种方式可以在低成本中实现 5-20 倍的安全增益。一种是保持出块奖励不变，从提高安全性中获益；另一种是大规模减少出块奖励（从而减少共识机制的“浪费”），保持安全水平不变。

两种方式都可以。我个人更倾向于后者，因为我们在下面会看到，在权益证明中，即使是成功的攻击也比工作量证明的攻击危害要小得多，也容易恢复得多!

2. 在PoS共识机制下，受到攻击更容易恢复。

在 PoW 网络中，如果你的链受到链 51% 攻击，你都能做什么？到目前为止，实践中唯一的应对措施就是 “等到攻击者主动撤销攻击”。但这忽略了一种更危险的攻击可能性，这种攻击叫做产卵营攻击（Pawn Camping Attack），攻击者一次又一次地进行攻击，目的很明确，就是为了使整条链瘫痪。

在一个基于 GPU 的系统里，没有任何防御措施，一个持久性的攻击者可以轻而易举地使整条链永久瘫痪（或者切换到 PoS 或 PoA ）。事实上，在进行攻击的几天后，攻击者的成本可能降至非常低，因为诚实的矿工无法在被攻击的链中得到出块奖励，从而退出。

在基于 ASIC 的系统中，社区可以应对第一次攻击，但随后又变得束手无策。首先社区会通过硬分叉改变 PoW 算法来应对第一次攻击，从而将所有 ASIC （攻击者的和诚实矿工的）“锁定”。但如果攻击者愿意承受这最初的费用，在这之后情况就会恢复到与 GPU 的情况一样（因为没有足够的时间来构建和为 ASIC 分发新算法），所以攻击者可以廉价地继续产卵营攻击，这是不可避免的。

当然在 PoS 的情况下会好很多。对于某些类型的 51% 攻击（特别是回滚最终确定的区块），在权益证明中有一个内置的“惩罚（Slashing）”机制，通过这个机制，攻击者的大部分股权（并不包括其他人的）将被自动销毁。对于其他更难发现的攻击（51%的联盟审查- A 51% coalition censoring everyone else），社区可以在少数用户激活的软分叉（UASF）上进行协调，攻击者的资金再次被大部分销毁（在Ethereum中，这是通过 “Inactivity Leak Mechanism” 完成的）。不需要明确的 “硬分叉货币消除”，除了要求在 UASF 上协调选择少数区块外，其它都是自动的，只需要按照协议规则执行即可。

因此，第一次攻击该链将使攻击者损失数百万美元，而社区将在几天内恢复正常。第二次攻击仍然会让攻击者损失数百万美元, 因为他们需要购买新币来替换被销毁的旧币，而第三次则会花费更多的成本。这个游戏是不对称的，对攻击者非常不利。

3. 相比 ASIC，PoS 更加去中心化。

基于 GPU 挖矿的 PoW 是合理去中心化的，得到一个 GPU 并不难。但基于 GPU 的挖矿在我们上面提到的 “安全性 “标准上基本不合格。而基于 ASIC 的挖矿，则需要几百万美元的资金才能进入（如果你从别人那里购买 ASIC，大多数时候，矿机制造公司的获利要更多）。

这也是常见的 “权益证明意味着富人更富 “论点的正确答案。ASIC 的挖矿也意味着富人更富，而且这个游戏只限于富人。至少在 PoS 中，质押所需的最低金额相当低，很多普通人都能承受。

另外，PoS 更耐审查。GPU 和 ASIC 挖矿都是非常容易被发现的：它们需要大量的电力消耗、昂贵的硬件采购和大型仓库。而 PoS 则可以在一台不起眼的笔记本电脑上完成，甚至可以通过 VPN 完成。

PoW的优势

我认为 PoW 有两个真正优势，尽管我认为这些优势很薄弱。

1. PoS 更像是一个 “封闭的系统”，财富集中需要很长时间。

在 PoS 中，如果你有一些币，你可以质押它们获得更多的奖励。在 PoW 中，你可以不停赚取更多奖励，但你需要更多外部资源。因此，我们可以说从长期来看，PoS 中币的分配有可能变得越来越集中。

在 PoS 中普遍的奖励（验证人收入）很低；在以太坊 2.0 中，我们预计每年的验证人奖励相当于 ETH 的总供应量约 0.5-2% ，而验证人越多，利息就越低。因此，集中化可能需要一个多世纪的时间才能翻倍，而在这样的时间尺度上，其它的压力（人们想要花钱、把钱分配给慈善机构或子女之间等）很可能会占据主导地位。

2. PoS需要 “弱主观性（weak subjectivity）”， PoW则不需要

关于 “弱主体性 “的概念，（请看V神的原文介绍）。本质上，当一个节点第一次上线，或任何一个节点在离线很长一段时间（即多个月）后上线时，该节点必须找到一些第三方来源来确定正确的链头。这可能是他们的朋友、交易所、区块搜索网站、客户端开发者等等。但 PoW 没有这个要求。

可以说这个要求很容易实现，用户需要在某种程度上信任客户端开发者或社区所提供的内容。至少，用户需要相信有人（通常是客户端开发者）来告诉他们协议是什么，以及协议的任何更新。这在任何软件应用中都是不可避免的。因此，PoS 所带来的边际额外信任要求还是相当低的。

即便此间可能确实存在一定风险，但我还是相信PoS网络拥有远超于 PoW网络的效率以及恢复能力。

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