以太坊pos权益证明机制

1、以太坊推出首个公共测试网用于全面升级至权益证明(PoS)

12月21日消息，以太坊核心开发人员 Tim Beiko 在Twitter上宣布，以太坊将推出第一个公开测试网 Kintsugi Merge Testnet，用于全面升级到权益证明（PoS）。Tim Beiko 还表示，尽管客户端开发和 UX 会不断改进，但鼓励用户尽早开始使用 Kintsugi，以便在合并后的环境中熟悉以太坊网络。重大升级将由存入 32 ETH 的抵押者执行。目前，230 万个测试网 ETH 已经由相对 7.2万名验证者存入新网络，这表明社区已经为“加密领域最大的升级”做好了充分准备。 此外，根据报告，应用程序开发人员不会有太大变化，仅与共识层或执行层交互的工具也基本不受影响。

什么是权益证明？

权益证明是一种区块链网络达成共识的共识机制。

这将要求用户抵押他们的以太币从而成为网络中合法的验证者。 验证者有着与矿工在 工作量证明（pow）中相同的职责：将交易排序和创建新的区块，以便让所有的节点就网路状态达成一致。

权益证明相较于工作量证明系统有许多改进：

1、提高能效——您不需要大量能源去挖掘区块

2、门槛降低，硬件要求减少——您不需要优秀的硬件从而获得建立新区块的机会

3、更强的去中心化——权益证明可以在网络中提供更多的节点。

4、更有力的支持分片链——一个得以扩展以太坊网络的关键升级

权益证明、权益质押和验证者

权益证明是一种用于激励验证者接受更多质押的基本机制。 就以太币而言，用户需要质押 32ETH 来获得作为验证者的资格。 验证者被随机选择去创建区块，并且负责检查和确认那些不是由他们创造的区块。 一个用户的权益也被用于激励良好的验证者行为的一种方式。 例如，用户可能会因为离线（验证失败）而损失一部分权益， 或因故意勾结而损失他们的全部权益。

以太坊权益证明是如何运作的？

与工作量证明不同的是，验证者不需要使用大量的计算能力，因为它们是随机选择的，相互间没有竞争。 他们不需要开采区块，他们只需要在被选中的时候创建区块并且在没有被选中的时候验证他人提交的区块。 此验证被称为证明。 你可以认为证明是说“这个块在我看来没问题”。 验证者因提出新区块和证明他们已经看到的区块而获得奖励。

如果你为恶意区块提供证明，你就会失去你的股权。

权益证明和安全性

权益证明中仍然存在 51% 攻击的威胁，但对于攻击者来说攻击成本越来越高。 要发起 51% 攻击，你需要掌控 51% 以上的以太币股权。 这不仅仅是一笔巨款，还很有可能导致以太币贬值。 破坏你的货币价值的大部分权益是非常容易的。 当然也有更强有力的激励措施来保持网络的安全和 健康 。

信标链上的权益消减、踢出和其余惩罚、协调来防治其他恶意行为。 验证者还将负责记录这些事件。

优缺点

优点

权益质押让您更容易运行一个节点。 这不需要在硬件或能源方面进行巨额投资。 如果你没有足够的 ETH 来进行质押，你可以加入质押池。

权益质押更加去中心化。 它允许更多人参与，并且更多的节点不意味着像挖矿一样增加百分比的回报。

权益质押可以保证安全的防护。 分片链允许以太坊同时创建多个区块，增加交易输送量。 将以太坊网络置于工作量证明系统内，这会降低网络被攻击所需的算力。

缺点

与工作量证明相比，权益证明仍处于起步阶段，并且没有经过实际应用的测试。

2、【Discover ETH】什么是权益证明PoS

本篇作为Discover系列文章的开篇，结合ETH2.0的目标，来谈谈权益证明PoS是什么。

在谈PoS之前，我们先来了解一下共识。共识，即达成了普遍协议。区块链实质上是一个全球性的状态机，达成共识意味着网络上至少有超过一半（51%）的节点同意网络的下一个全球状态。
共识机制 （也称为共识协议或共识算法）允许分布式系统（计算机网络）协同工作并保持安全。当前主流的共识机制有两种，分别是 工作量证明 (Proof of Work，PoW)和 权益证明 (Proof of Stake，PoS)。以太坊在设计之初就希望最终以太坊的共识机制能转变为PoS，而PoW只作为一个过渡阶段。但无论是PoW还是PoS，最终的目的都是相同的，即实现分布式计算机的共识机制。下面先简单了解工作量证明（PoW）的工作机制。

工作量证明通过矿工们完成，矿工们需要竞争创建最新区块以处理和完成交易。 获胜者将与网络中的其他节点分享最新区块，并且获得最新的特定代币区块奖励（如以太坊的以太币）。由于用户需要拥有超过网络中 51% 的算力才能够欺骗整条链，因此网络安全得以保证。 这将需要巨大的设备和能源投入，所需的开支甚至可能超过收益。
工作量证明是08年在中本聪所创造的比特币中提出的，至今已经经过了充分的考验和测试，但随着越来越多的矿工和矿池的加入，挖掘新的区块的难度指数爆发式上升，也面临的如下的问题：

PoS作为ETH2.0关键的建设目标，其作用不仅仅只是因为PoW带来的环境不友好的能源消耗，还有PoS的建设能更有力支持 分片链 （以太坊网络扩展的关键升级），更强的去中心化特性等等。下面从几个方面来简单谈谈权益证明PoS的工作过程。

在以太坊中，工作量证明的过程参与的角色是矿工/矿池。其目的是通过算力试错来反复计算，以此生成一个低于目标随机数的混合哈希。这个计算难度依赖于区块所声明的 难度 ，难度越小，有效的哈希值的集合就越小。而在权益证明中，则没有矿工这一角色，与之对应的是称之为 验证者 的角色。
在ETH2.0中，用户需要质押 32ETH 来获得作为验证者的资格。验证者被 信标链 随机选择去创建区块，并且负责检查和确认那些不是由他们创造的区块。他们不需要开采区块，他们只需要在被选中的时候创建区块并且在没有被选中的时候验证他人提交的区块。此验证被称为证明。
验证者因提出新区块和证明他们已经看到的区块而获得奖励，对于一些恶意验证者节点，也会有相应的惩罚机制使之失去质押。验证者质押的ETH越多，获得的奖励也越多。可以这样说，权益证明是一种用于激励验证者接受更多质押的机制。

前面提到了 分片链 这个名词， 分片 就是将区块链分成多条链。验证者将会在不同的分片上处理它们的分片数据，以此来提高区块链的工作效率。ETH2.0预计会有64个分片链。
验证者会被随机洗牌到不同的分片中，以防止验证者恶意操纵节点并提高链的安全性。处理不同分片之间的数据的关键角色就是 信标链 （Beacon Chain）。
信标链 是协调分片信息、管理验证者的连接不同分片的桥梁。
当用户在分片上提交交易时， 验证者 将负责将用户的交易添加到分片区块中。 信标链 通过算法选择验证器以提出新的块。如果一个验证者没有被选中提出一个新的分块，它们将会证明另一个验证者的提议，并确认一切都正常。
至少需要 128 个被称为 委员会 （ committee ）的验证者来证明每个分片块。委员会有一个提出和验证分片区块的时限，这个时限被称为 插槽 （ Slot ），大约为12秒。 每个插槽只能创建一个有效区块，一个 周期 （ Epoch ，大约6.4分钟）有 32 个插槽。
每个周期过后，委员会都由不同的、随机的参与者解散与重组，重组过程由一个半随机算法 RANDAO 来选择，以此避免恶意节点的操纵。

ETH2.0使用 Cassper 终局协议来确认一个新的区块是否得到足够的证明，即只要2/3的插槽同意（即当前参与计算的2/3的验证者节点），该区块就会被最终确定。而推荐此区块的验证者将获得奖励。因此，在权益证明的机制下，每过6.4分钟就会创建一个新的区块。关于Cassper协议的详细说明后续再进行探索。

权益证明的建设以太坊在15年就已经提出，截止至今也才完成了Phase 0信标链的建设。而下一阶段的与主网合并，再下一阶段的分片链建设也一再推迟。虽然PoS的建设非常缓慢，但无论如何，权益证明作为主流的共识机制算法之一，也是值得我们探讨其设计原理。
后续将会针对信标链的详细设计、分片等ETH2.0内容进行探索。

3、POW & POS,傻傻分不清楚的共识机制

什么是共识机制？

我在开更的第一篇文章，就简单讲解了数字货币世界的16个最高频名词，其中一个就是共识机制，还记得吗？

为什么要有共识机制呢？

这就必须要解释一下在分布式系统中不得不了解的“拜占庭将军问题”了。

拜占庭将军问题（The Byzantine Generals Problem）可以总结为一句话：

在古代，11位忠诚的、不同位置的将军，如何排除叛徒的影响，对进攻或撤退达成一致。

当然，拜占庭将军问题并不是如今才提出的，我们大中华在春秋战国时期就发明了“虎符”这个神奇的方式来保障命令的正确执行。

在分布系数系统中，各个节点就是“拜占庭将军”，算法执行中的任意一个错误就是“叛徒”。

为了尽可能地排除错误、快速达成一致，来让系统有效地、正确地运行，便应运而生了各种“共识机制”。

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下面，我们就来一起学习数字货币世界中常见的几种共识机制：

PoW，工作量证明 Proof of Work

PoW是比特币所采用的共识机制，最早是由Adam Back为了解决垃圾邮件的问题而开发的一个“哈希现金Hashcash”程序。

比特币采用的是SHA256的单向函数，其具体的工作原理实在太专业，我们只需要理解到“SHA256的结果很容易验证，但是要将其计算出来，需要不断尝试运算，直到匹配到某个随机数；技术上而言，任何新增区块都需要经过232394亿运算才能得到”的程度，感兴趣的小伙伴可以搜索SHA256去深入学习。

因此，只要矿工出示运算结果，那通过PoW，全网节点就认可了他所付出的成本，承认新的区块奖励属于他。

如此大量的运算相当浪费资源，实际上并没有任何科学或实际用途，只是为了实践工作量证明机制、阻止攻击者伪装成节点来控制网络。

虽然在2009年时为了构建这种去中心化的、允许所有人可以免费参与的全球货币网络，没有更好的选择；但是发展到如今，已经有了其他不需要大量浪费算力的证明机制，比如我们下面就要提到的，PoS权益证明。

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PoS，权益证明 Proof of Stake

主要思想是：节点记账权的获得难度与节点持有的权益成反比，也就是说，一个节点拥有的币越多、时间越久，越容易获取记账权，也就越容易获取区块奖励。

实际上，最初的PoS是PoW的一种升级，根据每个节点的币龄，来等比例地降低挖矿难度，从而加快找到随机数的速度。

什么是币龄呢？

币龄=数量*拥有天数。

由于区块链中的每笔交易记录都会被标记时间戳，这个时间戳就可以作为币龄的证明，因此币龄也不可能被轻易伪造。

比如A从B那里收到10个币，并且持有了90天，那么，A就拥有了900的币龄；如果A卖了这10个币，这900币龄就被消耗了；

后来，为了彻底摆脱PoW这种依靠算力的共识机制，PoS引入了“利息”的概念；年利率是在PoS机制最初确认时就设定的，一般不会变化。

利息=（币龄*年利率）/365 ，如果利率是1%，在上个例子中，A就可以得到0.02466个币的利息。

如此一来，PoS区块链的作用过程就可以这样描述：

在初期，通过PoW机制，产生创世币；

在创世币达到一定规模时，PoS机制开始作用，交易时消耗币龄、获得产生区块的优先权，并获取利息，同时PoW机制由于消耗太多资源、浪费算力而逐渐淡出；

最终系统中仅剩PoS来维持正常运作。

目前大家所熟悉的以太坊，主要还是采用PoW的机制，不过正在转向PoS。

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大家了解了PoW和PoS，在遇到其他共识机制的时候，相信也会比较快得就能理解。

比如：股份授权证明DPOS，类似于董事会投票；燃烧证明POB；沉淀证明POD；能力证明POC；消逝时间证明PODT，等等。

就不在这里为大家一一展开了，感兴趣的同学可以百度或知乎一下~

4、区块链共识机制之POS和DPOS

工作量证明算法作为区块链第一个也是目前经受住足够实践检验的一个共识机制，解决的是分布式系统交易信息一致性的问题，在一个去中心化的网络中构建了彼此不信任节点的信任机制，也是比特币成功应用的关键技术环节。

经过几年的实际运转，这一算法的弊端也显露出来，比特币网络每秒完成600万亿次SHA256运算，消耗了大量的电力资源，而最终这些计算没有任何实际或科学价值。这些运算存在的唯一目的是用来解决工作量证明问题，另外一个现实的威胁便是算力集中，工作量证明本质上是利用穷举法找出符合规定条件的哈希值的过程，算力越强，获得记账权(即挖到矿)的可能性便越高，一开始是最早利用显卡挖矿的人，后来是利用FPGA矿机的人，再后来是利用ASIC专用芯片挖矿的人，现在就是不断制造出更好的ASIC的人，另外还有“矿工”节点联合起来组成矿池，如Ghash，Ghash 2014年曾经发表声明，将在今后确保不超过40%的全网算力，这类自律声明是对比特币去信任机制的莫大讽刺。

比特币自诞生以来，人们便开始尝试其他除了工作量证明算法之外的其他共识机制，如具有代表性的权益证明POS、委托权益证明DPOS、拜占庭容错机制（BFT）及实用拜占庭容错机制（PBFT）等，下面将主要介绍POS和DPOS，BFT和PBFT留待下一篇。

权益证明POS

POS是一类共识算法，或者说是一类共识算法的设计思想，而不是一个，最早采用POS的是Peercoin。Peercoin是2012年8月，一个化名Sunny King的极客推出的一类加密货币，采用工作量证明机制+权益证明机制，首次将权益证明机制引入了加密货币。Peercoin引入了“币龄”的概念，每个币每天产生1币龄，比如你持有100个币，总共持有了30天，那么，此时你的币龄就为3000。当一个新的区块产生时，其他想获得记账权的节点同比特币也需要计算哈希值，得出满足条件哈希值的难易与难度值有关，这个难度值这里与币龄成反比，即你的币龄越大，得出符合条件的哈希值的概率就越大，同时你的币龄被清空，记账后系统会给予你相应“利息”，你每被清空365币龄，获得利息为：3000 * 利率 / 365，Peercoin的利率为1%，即0.08个币。

可以看出，在POS机制下，持有币越多，越容易获得记账权，接近于赢家通吃的感觉，但持有的币越多，越接近于一个诚实的节点，因为破坏整个网络带来的损失也越大。Peercoin的POS机制有一个漏洞，对于不持有币的人而言，他们本来就没什么收益，所以一些恶意攻击对于他们则是无损失的，这就是Nothing-at-stake attack（无利益攻击）。后续的比较成功的POS都引入了对付这种攻击的机制。

以太坊系统的目标是在今年引入权益证明，即Casper。在权益证明共识机制之下，用户将能够在以太坊网络拥有“币权”。用户如果诚实行事并确认了合法交易，将获得与其股权成比的利息；如果恶意行事并试图网络中作弊，就会失去其权益。

委托权益证明DPOS

委托权益证明DPOS是POS的变种，运用DPOS的典型如比特股等，其基本原理在于全网投票选出101个节点代行记账权限，这些代表节点的权限完全一致。代表节点轮流记账，可以选择创造区块或不创造区块。但他们无法改变交易的详情，恶意或者迟到的代表节点的行为也会被公之于众，那么网络可能将他们简单快速地投票驱逐出去。被驱逐出去的代表节点将会失去他们记账权限，以及对应的收入。

DPOS作为是一种弱中心化的共识机制，保留了一些中心化系统的关键优势，如交易速度等(每个块的时间为10秒，一笔交易在得到6-10个确认后大概1分钟，一个完整的101个块的周期大概仅仅需要16分钟)，但每个持币者都有能力决定哪些节点可以被信任，并且事实上，代表节点会主动降低自己的收入来赢得更多投票，剩下的收入会作为股息，支付给所有的比特股持有人。DPOS有点类似于代议制民主及股份公司董事会制度，都是一种精英制度，但其身份受制于下面的民众，在DPOS中，币的持有者至少有权决定代表节点—或者说矿工的身份。

5、以太坊基金会:ETH将在未来几个月转向PoS 能源消耗至少减少99.95%_百 ...

长话短说：以太坊在合并完成后的能源消耗至少能减少99.95%。

以太坊将在接下里的几个月完成向权益证明（PoS）共识机制的过渡，这带来了无数种已被理论化的改进。但既然信标链（ Beacon chain）已经运行了几个月的时间，我们实际上就可以深入研究具体的数字了。我们很高兴 探索 的一个领域涉及新的能源使用估算，因为我们将结束在共识上花费一个国家所耗能源价值的过程。

截至目前，还没有任何关于能源消耗（甚至使用什么硬件）的具体统计数据，因此下面是对以太坊未来能源消耗的粗略估算。

由于很多人都在运行多个验证器，因此我决定使用可存款的独立地址的数量，来作为今天有多少台服务器的代理数。很多质押者可以使用多个 ETH 1.0地址，但这在很大程度上抵消了那些冗余设置。

在撰写本文时，有来自16405个独立地址的140592个验证器。显然，这是由于交易所和staking质押服务造成的偏差，因此移除它们会导致有87,897个验证器被假定是在家里质押的。作为一个健全的检查，这意味着平均每个家庭质押者运行了5.4个验证器，这对我来说似乎是一个合理的估计值。

能源要求

运行一个信标节点（BN）、5.4个验证器客户端（VC）以及一个以太坊1.0全节点需要多少能量？以我的个人设置为基础，大约是15瓦。Joe Clapis（Rocket Pool开发者）最近运行了10个验证器客户端（VC），1个Nimbus信标节点（BN）以及1个10Ah USB电池组的Geth全节点，然后运行了10个小时，这意味着这个设置平均为5瓦。而一般的投资人不太可能运行这样的优化设置，所以我们取100 瓦作为参考数。

将其与之前的87000个验证器相乘，就意味着家庭质押者的消耗电量约为1.64兆瓦。估计托管质押者所消耗的能源会更多一些，他们运行了成千上万个具有冗余和备份的验证器客户端。

为了简化计算，我们还假设他们每5.5个验证器使用100瓦。基于我所接触过的基础设施团队，这是一个粗略的高估值。真正的答案要少50倍左右（如果你是一个质押托管团队，并且每个验证器消耗电量超过5瓦，我相信我可以为你提供帮助）。

因此，总的来说，采用权益证明（PoS）的以太坊网络会消耗大约2.62兆瓦的电量。这不是一个国家的用电规模，也不是省甚至城市的用电规模，而大约是一个小镇（约2100个美国家庭）的用电规模。

作为参考，当前工作量证明（PoW）以太坊网络所消耗的能量相当于一个中等国家的能源，但这实际上是保持PoW链安全所必需的。顾名思义，PoW达成共识的基础是哪个分叉在这方面做的“工作”最多。有两种方法可以提高“工作”完成率，一是提高挖掘硬件的效率，二是同时使用更多的硬件。为了防止区块链被成功攻击，矿工必须比攻击者更快的速度“工作”。由于攻击者很可能拥有类似的硬件，矿工必须保持大量高效的硬件运行，以防攻击者挖出它们，所有这些硬件都会消耗大量的能量。

在PoW共识机制下， ETH 价格与算力正相关。因此，随着价格的上涨，在均衡状态下，网络消耗的电力也会随之增加。而在PoS共识机制下，当 ETH 价格上涨时，网络的安全性也会提高（ ETH 的价值更高），但对能源的需求保持不变。

一些比较

据数字经济学者估计 ，以太坊矿工目前每年要消耗44.49太瓦时的电量，这意味着，根据上述保守估计，PoS的能效提高了约2000倍，这反映了总能源使用量至少减少了99.95%。

如果每笔交易的能耗高于你的速度，则约为35Wh/tx（平均约60K gas/tx）或TV约20分钟的耗电量。相比之下，以太坊PoW每笔交易使用相当于一栋房子2.8天的能量，比特币的每笔交易则消耗相当于一栋房子38天的能量。

展望未来

尽管以太坊目前仍在使用PoW共识机制，但这种情况不会持续太久。在过去的几周里，我们看到了第一批用于合并的测试网的出现（注：The Merge合并是以太坊从PoW切换到PoS时的名称）。几个工程师团队正在加班加点地工作，以确保合并尽快到来，同时又不影响安全性。

扩容解决方案（例如rollup和分片）将通过利用规模化经济来帮助进一步减少每次交易消耗的能量。

以太坊网络超级耗电的日子屈指可数了，我希望这个行业的其他部分也是如此。

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