工作量证明与权益证明
初学者指南
工作量证明 (PoW) 和权益证明 (PoS) 是公共区块链系统中最常使用的两种共识机制。这些系统可以提供网络安全并激励去中心化的参与者群体为实现网络的更大利益而合作。
世界上的任何人都可以参与基于公共区块链的系统。没有任何一家公司、中央银行或政府可以管理这些网络的运行方式。这意味着没有人可以直接控制热门的区块链，例如，比特币、以太坊、狗狗币或 Monero。
这是因为这些技术是去中心化的。与互联网一样，没有一个人或团体负责其维护和保养。相反，这项责任由全球各地数以千计的个人分担。但是，去中心化也引发了一些重要问题：
- 如何创建一个健全且无需信任的系统，以抵御恶意代理的影响？
- 如果任何人都可以加入网络，那么，您会如何提倡诚实的参与行为并劝阻不良行为者？
- 在没有整体管理者的情况下，您会如何选择由谁来提出、验证和记录区块链上的数据？
这就是工作量证明 (PoW) 和权益证明 (PoS)（更普遍的说法是区块链共识机制）发挥作用的地方。
什么是共识机制？
共识是指一个系统或一群人就某一信息所达成的一致意见。
区块链共识是分布式计算机网络就共享数据库中存储的信息的顺序和有效性达成一致的状态。
比特币区块链以及随后出现的其他区块链之所以具有革命性，是因为它们解决了一个长期存在的问题，即拜占庭将军问题。
拜占庭将军问题是分布式计算中的一个经典问题，涉及信任问题。这是一个分布式排之间的共识问题，多位将军试图协调对一座城市的攻击。在这个问题中，将军之间无法直接沟通，有些将军可能是叛徒，他们会向其他将军发送虚假信息。
就区块链而言，拜占庭将军问题是一个共识问题。在区块链网络中，多个节点试图就分类账的状态达成共识。但是，其中一些节点可能是恶意的，会试图向其他节点发送虚假信息。问题在于，其他节点必须能够相信它们所收到的信息，这样才能达成共识。
区块链通过使用共识算法来激励网络中的所有参与者就单一版本的真相达成一致，从而解决拜占庭将军问题。具体的做法是让网络中的每个节点对交易进行验证，并就交易的有效性达成一致。然后，系统会将此共识记录在区块链上，从而创建一个不可改变、安全且集体共享的真相之源。共识机制可确保网络中的所有参与者均掌握相同版本的真相，并确保交易有效。
计算机科学家在 1980 年代提出了这个问题，但其基本概念来自于一个更古老的经济学领域，称为博弈论。数学家 John Von Neumann 和 Oskar Morgenstern 在拜占庭将军问题之前 30 年便开创出博弈论。他们的研究根据博弈者的个人行为、报酬和惩罚来分析博弈的结果。
区块链共识机制包含这些理论原则。参与区块链网络的博弈者被激励为自己以及实现网络的更大利益而诚实行事。另一方面，不诚实行为者则会因为不诚实的行为而受到惩罚。
有趣的是，PoW 和 PoS 系统是如何以完全不同的方式实现无需信任的共识的。
什么是工作量证明 (PoW)？
工作量证明是一种共识机制，需要网络用户（称为“矿工”）投入计算能力来完成任务。
工作量证明 (PoW) 共识机制于 1990 年代初期首次推出，用作防止垃圾电子邮件的系统。这种方法要求用户在能够发送电子邮件之前先要解决加密问题。
对于发送少量电子邮件的合法用户而言，解决这个单一的加密难题是一项简单的任务。然而，对于想要大规模发送垃圾电子邮件的不诚实行为者而言，所需的计算能力使得这项冒险行动的成本变得十分高昂。
比特币与工作量证明
2009 年 1 月，比特币白皮书的匿名作者 Satoshi Nakamoto 推出了比特币协议。这个点对点电子现金系统采用改良版的 PoW 机制，以解决上述拜占庭将军问题。
比特币协议中所用的 PoW 共识机制包含基于密码学的竞争机制。用户之间会为了使用自己的计算机在分类账中提出新条目的权利而展开竞争。
通过比特币挖矿流程，矿工们会随机生成固定长度的代码，此代码被称为哈希值。他们通过一种加密哈希算法随机运行输入，从而创建这些哈希值。这样做可以生成独一无二的 64 个十六进制代码（代码仅包含 0-9 的数字和 A-F 的字母）。
矿工们随机生成哈希值，直至出现一个前面的零与目标哈希值相同或比其更多的代码。
目标哈希值是一个由区块链协议的难度调整算法所设定的数字。
当成功的矿工击败目标哈希值时，此人就会获得提出要加入区块链的新交易区块的权利。如果网络认为提议的区块有效，则该矿工就会因此而获得区块奖励。如果网络判定区块无效或存在欺诈行为，则节点会拒绝该区块，矿工的努力也付之东流。
如果您有兴趣深入了解加密货币背后的密码学，可以查看我们的初学者指南加密货币如何使用密码学。
激励措施和奖励分配
作为矿工努力的回报，成功的矿工可以赚取新铸造的比特币以及他们添加到新区块中的交易的费用。此项奖励被称为区块奖励。
个别矿工可以利用矿池将其计算资源组合在一起，从而提高其在挖矿竞争中获胜的几率。任何赚取的区块奖励都将按比例分配给矿池参与者。
区块奖励通常遵循严苛且预先设定的货币政策，其中奖励会随时间而系统性地减少。举例来说，每 21 万个区块，比特币会将每个区块奖励的新铸币数量减少一半（大约每四年一次）。这种减少被称为“比特币减半”，因此，随着时间的推移，进入流通的新币发行量会逐渐减少。
您可以阅读更多关于比特币减半的信息，请参见我们的 Kraken Intelligence 报告，减半：比特币的供给膨胀机制的趋势与影响。
核查和发放
一旦获胜的矿工提出一个新的交易区块，网络中其余的矿工便可以独立验证这些交易。一旦他们就区块存储信息的有效性达成共识，该区块就会永久加入区块链。
要求网络中的所有用户在最终完成交易前独立确认所提出的交易，这几乎不可能出现双重支付余额的情况。只有当 51% 或更多的验证者表现出不诚实时，两次支付相同代币的可能性才会成为威胁。然而，随着区块链网络的发展，这种类型的攻击变得越来越难以完成。
在每个新区块的挖矿竞争结束之后，根据每个协议被设定遵循的区块时间，这项挖矿竞争将重新启动。对于比特币，大约每 10 分钟就会发现一个新区块，不过，不同加密货币之间的区块时间各不相同。其他加密货币（例如，Litecoin 和 ZCash）分别每 2.5 分钟和 75 秒创建一个新区块。
此功能不仅可以保证网络安全，还能确保新的加密货币单位按照预先确定的固定速度进入流通。
PoW的优缺点
使用 PoW 系统的一项优势是安全。既定 PoW 区块链上的欺诈交易需要大量的计算能力才能予以实施。
不诚实行为者只有在控制了大部分或超过 50% 的网络计算能力时才能实施欺诈。此类漏洞被称为 51% 攻击。如果有人可以控制 51% 以上的网络，则可以重新安排交易、双重支付余额，以及阻止某些入站支付。
PoW 系统很难被攻击，因为他们需要专用的设备和巨大的能量才能利用网络。
然而，基于 PoW 的区块链的能耗量是加密货币贬低者经常批评的问题。但需要注意的是，这种消耗是有意为之的。在大多数情况下，哈希值越大，网络安全性就越高。
要帮助区分加密货币挖矿的事实与虚构的内容，请查看我们的消除加密货币谬见：《比特币正在破坏环境》指南。
最终，为了实现利润最大化，PoW 矿工必须尽可能降低运营成本，并获取廉价且可靠的能源。许多矿工使用可持续电力组合，以降低成本并缓解环境问题。
什么是权益证明 (PoS)
与工作量证明的直接竞争不同，权益证明 (PoS) 采用一套不同的激励机制，以确保网络参与者能够诚实地行事。
在推出比特币三年之后，两名开发者 Scott Nadal 和 Sunny King 共同创建了 PoS 共识机制。他们的主要目标是建立一个比工作量证明更为节能的系统。
通过权益证明 (PoS)，网络参与者可以购买并锁定协议的原生代币，以验证新的交易区块。作为回报，他们可以赚取质押奖励（通常以其质押资产的利息形式支付）。
许多主要 PoS 区块链（例如，以太坊、Cardano、Algorand 和 Polkadot）都会采用自己的选择算法，以选择哪些质押者有权提出新区块。
一般而言，质押更多代币的参与者更有可能验证新区块，但这些特定的算法存在一定程度的随机性。
这种随机性旨在提升公平性，意味着所有质押参与者都有机会赚取奖励。
Ignite（前身为 Tendermint）是另一种热门的 PoS 式共识机制，验证者通过这种机制针对加入区块链的新区块进行预投票、预提交以及提交投票。获得 ⅔ 多数票的区块将被提交到区块链上。
PoS 采用一种与 PoW 类似的激励诚信行为的方法，要求验证者投入自己的资金。同样，该成本在不同的协议中存在很大的差异，包括运行验证器节点的成本。
与热门的 PoW 加密货币（例如，比特币 (BTC)）挖矿所需的设备相比，PoS 验证器节点设备的总体成本通常要低得多。
激励措施和奖励分配
在大多数 PoS 区块链中，网络验证者被任命来验证交易区块，而不是竞相提出新区块。作为回报，验证者可以赚取奖励（有时采用固定年息的形式），以帮助确保网络安全。
那些由于不具备技术专业知识或无法满足最低资产要求而不能成为独立 PoS 验证者的人，可以将自己的资金与其他投资者合并在一起。
在这种情况下，多个小规模的投资者可以将资金集中在一起，从而形成一个质押单位。这些投资者推选的具有专业知识的个人或一群人负责维护和运营这些质押池。然后，投资者按比例在各自和质押池操作员之间分配奖励。
正如 PoS 共识机制可以激励验证者诚实地行事一样，该机制也可以惩罚验证者违反协议规则的行为。如果验证者或委托的质押池操作员从事欺诈行为，一些协议可以部分或全部没收他们的质押资产。这种机制被称为“罚没”，用于进一步激励网络中的良好行为。
核查和发放
要参与质押流程，大多数 PoS 区块链协议都要求用户首次锁定最低数量的代币，以获得参与资格。
对于以太坊的新 PoS 区块链，需要 32 个以太币——区块链的原生加密货币——才能成为验证者。然而，流动性质押协议的出现大幅降低了这一高门槛。
在 Polkadot 的 PoS 区块链上，最低质押要求可以低至 10 DOT 或高达 350 DOT。DOT 是 Polkadot 的原生加密货币。
与基于 PoW 的区块链一样，网络必须独立验证在 PoS 区块链上新提出的交易区块，然后，它们才能加入区块链。
PoS 区块链还遵循透明的发行时间表，从而让整个网络看到新代币如何进入流通。
PoS的优缺点
权益证明区块链的主要优点在于，它们比 PoW 协议更加节能。由于 PoS 验证者被任命验证区块，而不是使用昂贵的设备进行竞争，因此，他们的能耗量更少。
PoS 共识机制的主要缺点是质押中心化问题。
在 PoS 区块链中，一个人质押的代币数量主要可以决定其被选中验证交易区块并赚取奖励的可能性。因此，PoS 系统可能会偏向于那些拥有更多代币的人，而不是那些拥有较少质押资产的人——一些人认为这会导致网络中心化。
鉴于这一缺点，许多人认为少数大型质押池和鲸鱼投资者可能会获得对区块验证的集中控制。该因素违背了加密货币的核心原则，并降低了整体网络安全性。
一些 PoS 区块链存在的另一个问题是流动性不足。有时，用户在锁定期结束之前无法访问其质押资产。此问题降低了基础加密货币的市场流动性，使投资者无法在关键的市场波动期间动用其质押资金。
这两种共识机制均可解决拜占庭将军问题，但是，它们所采用的方式截然不同。PoW 共识机制是一种久经考验的系统，可以提供非常高的安全性。另一方面，作为一种更加节能且可扩展的替代方案，PoS 共识机制正在变得日益流行。
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