区块链行业技术引卷之五：PoS共识机制及设计哲学

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1、目录1权益证明，一段简史42权益证明的安全“执剑人”52.1区块链世界的“公地悲剧”52.2“执剑人”机制62.3新的问题——“长程攻击”73权益经济——PoS共识的经济理念73.1PoS共识种类73.2全体持有人参与共识的网络83.3从经济角度“量化”PoS的安全性93.4垄断与卡特尔组织103.5目前主流PoS算法简介114PoS的现在与未来11图表目录图表1：公地悲剧5图表2：公地悲剧中的博弈5图表3：PoW共识下节点面对分叉的博弈6图表4：PoS共识下节点面对分叉的博弈6图表5：PoS类共识机制划分8图表6：PoW区块链网络的攻

2、击成本102012年，ScottNadal和SunnyKing在一篇论文中提出PoS权益证明，作为对中本聪工作量证明的替代，首个将PoS概念融入到共识机制中的Peercoin（点点币）于同年上线。随后的几年里，一些大型区块链项目例如Ethereum、Cosmos都提出了各自的PoS解决方案。但七年后的今天，主网采用PoS共识（这里不包括DPoS、PoW+PoS混合共识）的区块链项目从数量和市值规模上看，落后于采用PoW类共识的项目。为什么在已有成熟项目的基础上，新的PoS项目进展仍然不及预期？PoS共识是否有足够的优势能够让人们接受它并

3、在区块链共识领域占有一席之地？“权益经济”（StakingEconomy）是否是区块链未来新的发展方向？1权益证明，一段简史在基于PoS共识的区块链网络中，所有成为“验证者”的节点都能够获得生产（或者提议）区块的权利，其概率取决于其拥有的“权益”多少。这里的“权益”（Stake）可以是节点持有的通证数量，也可以是关于通证数量的一个函数。例如下面提到的Peercoin提出的“币龄”概念，节点持有通证的时间越长，累计的币龄也越多。相比工作量证明，PoS共识的优势包括减少能源消耗、保障安全性、以及降低中心化风险。纵观PoS历史，可以将PoS的

4、发展大致划分为三个阶段。第一阶段是以Peercoin为代表的PoW+PoS混合共识。但是这类早期的共识混合共识仍然需要参与区块生产的节点进行一定量的哈希值计算，即以类似工作量的方式生产区块，只不过各节点计算出合法区块的概率与节点持有的权益相关，即根据权益选择生产者，并且采用基于权益的激励方式。Peercoin并没有完全实现“降低能耗”的目标。第二阶段是以Nextcoin为代表的纯PoS共识。这类PoS共识机制不需要节点或只需进行少量的哈希值计算，而采用分布式的、可验证的随机数生成函数来选择区块生产者，激励方式仍然与节点持有的权益相关。这

5、类PoS共识相比工作量证明耗费更少的能源，但PoS共识仍然有一个危害网络安全的隐患没有彻底解决——NothingatStake攻击（无利害攻击）。第三阶段是以以太坊Casper为代表的新型PoS共识。这类共识或是将PoS作为区块链共识的一部分，例如以PoW的方式生产区块，每间隔一定数量的区块以PoS方式确认共识的最终性；或是以PoS的方式生产区块，使用BFT类算法进行区块验证。这类共识不以实现共识过程的算法为划分依据，它们的共同点是实行“权益经济”，节点能够通过参与网络共识，根据拥有权益的比例获取区块奖励。不同于早期的PoS，这类共识通

6、过加入对不诚实节点的经济惩罚解决了“无利害关系”问题，增强了PoS共识的安全性。除此之外，以BitShares、EOS为代表的“委托授权”类（DelegatedPoS）共识也被公众熟知。但这类共识中，权益仅仅体现在投票选举“共识节点”上，而与经济模型、奖惩制度无关，因此一般不作为PoS共识讨论。根据区块链生产的过程可以将PoS共识分为以下两类：基于“链”的PoS（Chain-basedProofofStake）。类似BTCPoW生产区块的原理，算法每隔一定的时间内根据节点持有的权益随机选择一个节点负责生产区块，这个区块必须附加在一个合法

7、区块链的末端，当分叉产生时，通过共识算法规定的规则选择一条链作为共识链。“拜占庭”类PoS（BFT-styleProofofStake）。算法每隔一定的时间内根据节点持有的权益随机选择节点提议一个区块，但这个区块是否合法、能被附加到共识链之后需要得到一定比例的验证者投票确认。1权益证明的安全“执剑人”与PoW共识中算力竞争这样通过引入稀缺的外部资源，并以通证对算力的付出予以奖励来保证区块链网络的安全性的模式不同，PoS希望依托区块链经济体系内生力量来解决安全性问题。PoS共识选择按“权益”分配区块记账权与激励，并通过一系列创新性的解决方

8、案保证区块链网络的安全性，并在此基础上开创了区块链世界独特的“权益经济”。1.1区块链世界的“公地悲剧”早期的PoS共识面临着容易分叉的危机。哈丁教授在《公共地悲剧》（Tragedyofthecommons