区块链学习笔记20-权益证明

目前，比特币和以太坊都是基于工作量证明的共识机制。 这种共识机制对于电力的浪费是非常严重的。

比特币能源消耗

下图显示了比特币系统的功耗如何随时间变化。 y轴的单位是Twh，1Twh = 10^9 Kwh，1Kwh就是我们日常生活中常说的“度电”。

可见，比特币系统的能耗是相当大的。 每笔交易的平均能耗为1000千瓦时，但尽管成本高，但仍有利润空间。

以太坊能耗

以太坊的能耗也随时间增加，中间略有波动

以太坊出块时间短，每笔交易的平均能耗较少

比特币和以太坊作为一个国家的综合能源消耗

思考

挖矿消耗的能源是必要的吗？ 矿工为什么挖矿？

矿工挖矿是为了获得区块奖励，获得收益。 系统给予区块奖励的目的是为了鼓励矿工参与区块链系统的维护和记账，而挖矿本质上是由矿工的资金投入决定的（设备投入->设备决定算力->算力比例）决定收入）。

那么，为什么不直接拼写“钱”呢？ 现状是用钱买矿机来竞争挖矿算力，那为什么不直接把钱投入系统的开发和维护，按照投入的钱数分配收益呢？ 这就是权益证明的基本思想。

股权证明

采用权益证明的币种一般在正式发行前为开发者预留一些币种，开发者也会卖出一些币种换取开发所需的资金。 系统进入稳定状态后，大家按照票数持币。

优势

它节省了采矿过程并降低了能源消耗。 POW 中维持其安全的资源不形成闭环。 需要通过展示的币种购买矿机。 这也就导致了，只要有人想要攻击，只需要足够的外部聚集就可以了。 融资才能成功。 对于POS，如果要发起攻击，需要获得一半以上的币种流通量，而发起攻击的资源只能从币种内部获取（闭环）。

POS 和 POW 并不相互排斥。 部分加密货币采用混合模式，即仍需挖矿，但挖矿难度与持有币数有关。 你持有的币越多，挖矿就越容易。 当然这也是有问题的，就是每次持有币数最多的人最容易被挖到。 因此，有些加密货币要求投资的币种会被锁定一段时间，不能重复使用。 比如投入一定数量的币用于当前区块的挖矿，降低挖矿难度。 区块释放后，这些币会被锁定一段时间。 时间，这些币下次挖的时候就不能再用了，要多少块才能再用。

Proof of Stake的应用还存在很多挑战，其中之一就是“双赢”的问题

如下图所示，区块链系统存在分叉。 当有A、B两个区块竞争主链时，如果是工作量证明，同时挖A、B链会导致算力分散导致挖矿。 出块概率降低，但如果采用权益证明，则同时对 A 和 B 下注。 最终A区块获胜，那么他就可以获得A区块相应的收益，而B区块投票投入的“筹码”只记录在下方的分叉上，不会影响你在上方分叉上的使用。 这也导致每次都获利。

由于一个人可以有多个账户，我们不能强迫一个人一次只能贡献一个区块。 而越有钱的人，通过“双面投注”获得的收入也就越多。

权益证明协议以太坊准备采用

在以太坊中，将采用的权益证明协议是 Casper the Friendly Finality Gadget (FFG)，在过渡阶段将与 POW 结合使用。 为工作证明提供最终性。

Finality 是一种最终状态，包含在 Finality 中的交易不会被取消。

纯粹基于挖矿的交易可能会被回滚。 比特币规定要等六个区块才能防止回滚，但这只能说明回滚的概率比较小，但只要攻击者的算力足够强（占比50%以上）还是有可能回滚的交易。 所以纯粹基于挖矿的区块链缺乏这种最终性。

Casper协议引入了一个概念：Validator（验证者）。 用户如果想成为Validator，需要提交“押金”，押金会被系统锁定。 Validator的作用是推动系统达成共识，投票决定哪条链成为最长的合法链，投票权重取决于押金的多少。 挖矿时，每挖出100个区块为一个epoch，然后通过投票决定是否能成为Finality。

投票时使用两阶段提交。 第一轮投票是Prepare Message，第二轮投票是Commit Message。 Casper规定每轮投票必须得到2/3以上的验证者通过（按押金数额计算）在实际系统中，不再区分这两种消息，epoch由100个区块减少到50个区块，只需要一轮投票（前一个epoch的commit message，下一个epoch的prepare message），必须在连续两轮投票中获得2/3或更多的多数票才有效。

最初版：

优化：

矿工挖矿会得到区块奖励，验证者也会得到相应的奖励。 当然，为了防止验证者的不良行为，规定一旦被发现就要受到惩罚。 例如，如果某个验证者“行政不作为”，不​​参与投票，系统将长期无法达成共识。 此时会扣除部分保证金； 投票（双方下注），一经发现将没收所有保证金。 被没收的保证金被销毁，减少了系统中的货币总量。 验证者有一个“任期”。 学期结束后怎么证明比特币收入合法，进入“等待期”。 在此期间，它等待其他节点报告和暴露是否有不良行为并对其进行惩罚。 如果超过等待期，可以取回保证金和应有的奖励。

Q：验证者达成的Finality是否有可能被推翻？

A：如果发起攻击的组织只是矿工，是无法推翻的。 系统中肯定有大量的“验证者”在两个相互冲突的 Finalities 上下注。 即至少有 1/3（协议规定 2/3 以上为有效）的验证者投票给双方。 而一旦被发现，这1/3验证者的保证金将被没收。

以太坊系统假设随着时间的推移，挖矿奖励会逐渐减少，权益证明奖励会逐渐增加，从而实现从POW到POS的过渡，最终彻底放弃挖矿。

为什么以太坊一开始不使用权益证明？

因为权益证明还不是很成熟，工作量证明已经很成熟了，已经通过了时间的考验（bug bounty）。

EOS加密货币，即“柚子”，是一种采用权益证明的共识机制，采用DPOS：Delegated Proof of Stake。 该协议的核心思想是通过投票选出21个超级节点，然后由超级节点产生区块。 但就目前而言，权益证明仍处于探索阶段。

其他观点

之前的基本观点都是基于“挖矿耗电多，不好”的观点，但也有人持相反的观点。

他们认为，它所消耗的电力比例并不大，对环境的影响有限。 挖矿提供了一种将电能转化为货币的手段，但电能本身却难以传输和存储。 一般来说，白天发电量不足，晚上发电量大于实际需求。 它更便宜怎么证明比特币收入合法，因为它比电更容易传输数据。 因此，挖矿为将多余的电力转化为有价值的货币提供了一个很好的解决方案。

也就是说，挖矿用电可以有效消解过剩产能，带动地方经济发展。