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为何共识机制如此重要?POW与POS两种区块链共识机制的比较
2018-08-31  浏览:624
为何共识机制如此重要?POW与POS两种区块链共识机制的比较

比特币和以太坊作为目前两种最著名的数字货币,都采用的是POW(工作量证明)机制。但是,以太坊正计划在未来将共识机制转向POS(权益证明机制)。这在区块链领域是一个重要改变,也引起了区块链社区关于POW与POS的激烈讨论,主要讨论的问题有这两种机制谁的安全性更高,哪种机制长期来看运行会更好?

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为何共识机制如此重要?

在讨论POW和POS这两种机制之前,我们首先需要理解共识机制对区块链为何如此重要。区块链最大的特点就是去中心化和不可篡改,而共识机制就是实现这两种特点的核心。区块链是一个去中心化网络,参与运算的计算机在这个网络里被称为节点,以共享的方式维护整个分布式数据库。任何人可以不经过许可就加入到这个网络中,每个节点都储存着整个区块链的全部交易数据。实际上,每个节点都是一个包含全部交易记录的账本,因此区块链也被称为分布式账本技术(DLT)。

区块链网络中交易被打包在一起,称为“区块链”。这些区块通过之前确定的协议机制按顺序相互连接。更新区块链内容的唯一方法就是再加入一个新的区块,因为原有的区块链无法删除和更改。同时,任何一个节点都可以在不经过第三方机构的介入来添加新的区块。

因为每个节点都可以添加新的区块,所以建立一种合理的规则对于保持数据完整是非常重要的。如果有节点在添加新的交易区块时不被其他节点同意,那么这个新区块就会被判定为无效。如果这个节点坚持在原有区块上添加新的交易记录,而且仍然忽视整个社区的规则时,那么其他节点就会被迫选择社区分裂,这样他们就可以在原有网络上继续坚持已有规则和交易记录,这个过程被称为区块链的“硬分叉”,频繁的硬分叉不利于区块链的稳定性。共识机制的建立就可以有效减少硬分叉的发生。

另外,某些恶意节点可能控制网络发起DDoS攻击(分布式拒绝服务攻击),造成交易出错,例如出现双花等问题。共识机制可以用来对每一笔交易进行验证,避免双花问题。
共识机制目前已经发展出了很多种类,POW是区块链领域中最常见和被应用最广泛的共识机制,相比之下,POS是最新发展出来的共识机制。

POW机制是什么?

POW算法的概念由Cynthia Dwork 和Moni Naor在1993年的文章中首次阐述,这个名词由Markus Jakobsson在1999年正式提出。中本聪所创造的比特币网络是实施POW机制的最著名案例,接下来我们将通过比特币的运行原理来解释POW机制。

在比特币这个区块链网络中,交易首先会被打包放在一个内存池中,每十分钟会产生一个区块。这些区块在被记录在链上中需要被矿工验证,这些矿工通过专门设计的硬件和软件来处理这些交易。交易确认的过程,就被称为挖矿。挖矿的过程中需要矿工来进行复杂的哈希运算,通过哈希求解进行竞争,来获得进行交易确认的机会,从而获得写入新区块时伴随产生比特币奖励。

比特币用户发起交易时,会将交易数据提供给矿工,这是一个简单的过程。然而,矿工也需要知道链上最后一个区块的加密哈希值。链上最后一个区块的加密哈希值是产生新的区块的必要条件,获得哈希值才能保证整条链的完整无误,这也是挖矿过程中困难的部分。

任何矿工都不知道最后一个区块的加密哈希值,他们需要进行大量运算来找出正确的哈希值。哈希运算没有任何技巧,只需要足够的算力来进行运算。如果某个矿工破解了这个哈希运算后会在整个社区公布,这样其他矿工会看到他计算出来的的哈希值来证明他的运算成功,这个过程被称为POW(工作量证明)。这样,成功求解的矿工记录了这个新的区块,内存池中的交易也会被成功记录。

哈希值求解的过程也是不对称的,对于矿工来说整个过程是困难的,但是在网络中看到这个过程是容易的。随着难题求解的过程变得更加容易,每个区块的生成时间将变得少于10分钟。然后,哈希运算的难度每14天更新一次,会变得更加困难。这样随着计算难度的增加,求解所需要的算力也会增加。

当黑客针对多数成员发起的DDos攻击,即掌握算力的51%以上发起攻击将是成本高昂的。潜在的黑客攻击所消耗的成本将高于自己的收益。因此, POW机制将会使整个区块链网络更加安全。

但是POW在追求高安全性的同时成本也很高,例如:

比特币挖矿的能量消耗十分高,例如到2018年底,冰岛的比特币挖矿消耗的能力将高于整个国家其他领域能量消耗之和。由此造成的环境压力将会对比特币造成不利的公共影响。另外,如此之高的能量消耗由法币支付,这也会对比特币价格造成多米诺效应。

另外,不断更新的计算硬件以及日益增加的能源消耗,对于个人来说将难以承受。基于经济效益,比特币挖矿将变得更加集中化,未来将会被更加组织化的矿池所控制。这种中心化机制也违反了区块链去中心化的初衷。

目前控制普通用户计算机进行挖矿的黑客行为愈加频繁,黑客通过这种方式掌握算力提高自己挖矿的ROI(投资回报率)。而用户可以定期对软件和操作系统修复漏洞来避免这种黑客攻击。

POS有何不同?

采用POS共识机制的区块链网络具有进行交易认证的特殊节点。这些节点将自己的token锁仓,被称为“权益代表”。这意味着这些节点参与到这个社区建设的程度更深,不像比特币挖矿过程中矿工可能并不拥有比特币,就参与到交易确认环节中。

权益代表锁仓的通证越多,锁仓的时间越长,得到确认交易产生区块的可能性将会越高。所有的token在之前已经被全部释放出来,以后不需要再释放新的token,并会将交易手续费作为奖励发放给对权益代表。

因为POS并不需要处理复杂的运算进行工作量证明,所以POS消耗的能量较少。同样的,因为不需要所有的节点参与交易证明,整个区块链网络的扩容性更高,这就出现了一种新的扩容方案——Sharding。Sharding的概念来源于数据库管理——将数据水平分配到不同的服务器中以提高效率。

POS共识机制展现出了许多优点,区块链领域的专家正在制定不同的方案,例如:

1、如果有恶毒玩家大量获得token,成为一个token多于任何人的权益代表,整个区块链网络可能就不安全。然而,市场经济将会阻止这种行为,因为大量抢购token将会造成toekn价格暴涨,实施恶意行为的代价将十分巨大,这些黑客的行为将难以进行攻击。

2、另外一种情况就是权益代表可能进行恶意的交易认证,产生错误区块。目前以太坊项目团队正在提出新的Casper方案来将他们的共识机制转向POS,这种新方案将会使这些恶意的权益代表失去他们的token,并且未来也被禁止成为权益代表。

POW vs. POS: 未来属于哪种共识机制?

虽然POW为区块链网络提供了更安全的的去中心化共识机制,而且也在众多区块链项目中得到验证,但是挖矿带来的能源消耗和由此造成的环境压力,以及数字货币背后缺乏实际资产支持都引起了大量的媒体负面报道。目前这些问题的影响已经显而易见,例如中国已经正式禁止了比特币挖矿。

虽然POS机制出现不久,但是采用这种机制的区块链项目已经出现,例如著名的加密货币DASH已经正式实施POS机制。如果POS的支持者可以向广大的加密货币社区确保这种机制有能力保障区块链网络的安全,那POS将会得到的更多支持。如果名望很高的以太坊项目转向POS的过程取得了成功,这将会促进POS的广泛应用。因此,在接下来的几个月时间里,我们将会发现哪种机制将是未来更合适的区块链共识机制。

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