ETH2.0:從PoW邁向PoS的征途

PoW、PoS和女巫攻擊

ETH作為當今加密生態的頭部公鏈，其擁有最為繁榮的生態系統和最大的TVL。因此，ETH2.0的升級計劃也理所當然的成為當下加密世界最受關注的熱點之一。而該次升級計劃的核心之一就在于驗證機制將由PoW轉變為PoS。

根據區塊鏈共識機制中最為核心，也是最為基礎的“抗女巫攻擊策略”進行分類，區塊鏈共識機制可以分為最為主流的兩大分支——工作量證明和權益證明。

我們先簡單說明一下什么是女巫攻擊：所謂女巫攻擊，就是指通過偽造多個ID對網絡進行干擾的攻擊方式。該名稱來源于美國著名小說《女巫》。該小說的主角患有多重人格障礙癥，一個身體內同時兼容多個人格。

女巫攻擊在網絡中很常見，淘寶產品中的刷量、刷贊等都是黑客通過偽造大量ID造假完成的。女巫攻擊最常見的攻擊場景是數據冗余機制，即為了提升網絡安全，將數據進行多重備份的機制，而區塊鏈正是使用數據多重備份機制的典型。因此，在分布式數據存儲的區塊鏈中從來不乏女巫攻擊的身影。

要實現女巫攻擊，需要通過一個實體節點偽造出大量的偽裝節點，并將這些節點廣播到整個區塊鏈網絡。當其他正常節點查詢信息時經過這些偽裝節點，攻擊者可以操控偽裝節點對查詢進行干擾，繼而反饋給查詢者虛假信息，或者干脆不反饋任何結果。

當一個區塊鏈中的偽裝節點數量超過真實節點時，攻擊者會憑借投票票數領先的優勢擊退真實的節點。攻擊者還可以通過拒絕接受新區塊、返回錯誤信息等方式拒絕新節點的加入，以達到對區塊鏈的統治。這種情況下，攻擊者就擁有了整個區塊鏈的決定權，可以篡改交易記錄、更改交易順序，對區塊鏈造成極大的危害。

Tether報告：隨著貴金屬配置的減少，比特幣儲備增加了1.7億美元:金色財經報道，穩定幣發行商Tether第二季度證明顯示，其比特幣儲備大幅增加超過1.7億美元，從第一季度的15億美元增至16.7億美元此次上漲符合該公司通過購買比特幣來加強和多樣化其儲備的目標。5月，Tether透露打算利用其網絡實現的營業收入的15%來購買比特幣。

Tether的貴金屬（尤其是黃金）儲備出現下降，從第一季度的33.9億美元下降至32.7億美元。根據季度證明，Tether報告其額外準備金增加了8.5億美元，達到33億美元，高于第一季度記錄的24.4億美元。該機構表示，其額外準備金是其選擇不分配給股東的收入，與已發行USDT代幣的100%準備金一起保存。

Tether還聲稱其儲備流動性非常好，因為其所有投資的85%都是貨幣和貨幣等價物。[2023/8/1 16:10:14]

區塊鏈的基本原理就是用戶將數個交易打包成塊，通過哈希引用把單獨的區塊連接成一條鏈，從而得到一個共享的賬本。但是直接這樣使用一個賬本的安全性就很難保證，因為壞人同樣也可以創造一個賬本，然后把兩個賬本同時擺在用戶面前。而哪個是真的哪個是假的，用戶應該相信哪一個，就成了一個復雜的權衡問題。

如果在中心化的環境中，這個問題將不再是問題，例如，如果我有一個銀行賬戶，其中余額的多少完全由銀行的中央系統所確定。如果賬戶的實際數額和事實情況不一致，我就可以通過與中心系統協調或者法律途徑解決問題。

但在去中心化的世界中，是不存在這個一個一錘定音的中心化機構的。因此，人們就需要通過其他方式達成共識，才能保證賬本的公正性。

數據：Tether燃燒ETH數量突破10000枚:9月6日，據ultrasound.money數據，Tether累計燃燒了10215枚ETH，位居以太坊燃燒榜第4位。[2021/9/6 23:03:11]

那么問題來了，在去中心化的環境中，應該怎樣達成共識呢？

最經典的辦法就是投票。通過大家共同參與投票，就可以選出一個值得信任的賬本，然后共同使用該賬本。

但是，說到投票，公平公正的問題就無法忽略，例如，投票權要怎么分配就是個不得不考慮的問題。

如果在一次投票活動中某一個體擁有了可以左右全局的票數，那么這場活動就很難再稱之為投票。因為這意味著他想做什么，結果就是什么樣的，而這對于其他個體顯然是不公平的，這種不公平的方式也注定無法獲得共識。因此，如果我們真的希望達成某個共識，就要排除這種不公平。所以投票權的分配被視為是共識協議中最為核心的部分之一。

如果發生在線下，投票權分配的問題其實很容易就能得到解決。實行簡單的一人一票即可。至于身份驗證問題，通過身份證件在投票的時候登記一下就可以解決。

但是如果發生于線上，一人一票的問題就會被無限復雜化。

首先，在線上的環境中，尤其是去中心化的環境中，如何定義“一個人”就是個很大的問題。大家在線上都是以匿名的方式存在，甚至無法判斷網絡對面到底是一個摳腳大漢還是一條狗。因此，我們就需要一個抗女巫攻擊的機制。但到底是將一個賬戶視為一個人，還是將一個ip視為一個人，抑或是再用別的什么標準去確定？

報告：ETH在8月份推特代幣討論榜排名第一，討論率占10%:9月5日消息，據ICO Analytics報告顯示，8月份推特討論率最高的前5名代幣中，ETH討論率占10%、BTC討論率占8.7%、BNB討論率占6.6%、DOGE討論率占6%、SHIB討論率占5.2%。（coinkolik）[2021/9/5 23:01:49]

在區塊鏈中，最常用的兩大解決方案就是工作量證明和權益證明，后者包括代理的權益證明。當然除它們之外還有一些其他的證明方式，比如說證明擁有多少空間，或者證明燃燒了多少貨幣，但是目前最為主流的還是PoW和PoS這兩種。

PoW工作量證明

工作量證明的基本思想就是通過算力決定出塊權。如果你能解出一個PoW計算難題，你就可以獲得出塊的權力。我們甚至可以粗暴的理解為一個CPU、一個GPU、或一臺礦機一票。這種模式的優勢在于：

1、整個系統是無許可的。參與者不需要任何人許可，只要有機器有算力就可參與。甚至理論上都不一定需要機器，如果說你可以手動算出一個區塊的哈希，并及時將結果上傳，別人依舊會承認這是一個合法的區塊。

2、PoW投票行為本身成本是比較高的，不論是使用CPU、GPU還是用礦機，機器的成本和電力的成本，都是實打實的真金白銀。這就意味著，如果想在PoW的環境下進行女巫攻擊將要付出極高的成本，而這往往會讓攻擊者得不償失。

公告 | Upbit 28日暫停ETH充提:韓國虛擬貨幣交易所Upbit剛剛發布公告稱，為了ETH錢包升級工作，從28日15:00~18:00（北京時間）暫停ETH的充提服務。[2019/1/28]

3、PoW中所投的票和投票權是保持綁定的。按照工作量證明的一般邏輯，投票的時候需要先打包出一個塊，然后再對這個塊做工作量證明，如果做出證明就相當于投出去一票，但是這個時候打包的塊已經沒有辦法修改了。而另一方面，如果想要回滾掉自己出的塊，必須付出和回滾別人的塊時候所需的同等的算力。這意味著一旦投票成功以后，即使是投票者本人也修改不了投票的內容，投票的信譽度得以保障。

當然基于PoW機制的共識算法也存在一些無法規避的缺點。

1、PoW的延遲非常高，因為把交易打包到區塊以后，這個區塊并不是馬上就成為一個有效的候選區塊。至少還要完成一個工作量證明這個區塊才能稱之為候選區塊。

于是，從打包好區塊到做完區塊的工作量證明這一段時間內，交易是不可能被人確認的。所以即便比特幣不是等六個塊確認，而是看到一個塊就確認，確認一筆交易平均也要等十分鐘時間。

2、PoW機制另一個被人詬病的缺點就是能耗特別高、不環保。對于這一點，工作量證明的能耗是否必要，我覺得見仁見智，可以持保留意見。雖然它的確存在一些浪費問題，但攻擊者的成本也因此被拔高到難以承受的地步，從這個角度來說，似乎也不全是件壞事。

PoS權益證明

行情 | ETH 出現劇烈波動 請密切關注行情:當前 ETH 價格￥2368.54，5分鐘下跌超過￥24.88，波動較大，請密切關注行情走勢，做好風險控制，數據來自 Bitfinex 。[2018/8/11]

權益證明基本的思想是：當你持有Token，你就有記賬權和投票權。你的投票權和你持幣的數量是成正比的。簡而言之，Token越多，投票權就越大。

PoS協議的基本框架是按所有的參與者的持幣量，去分配打包權和投票權。這也就意味著，參與者的信息是已知的，至于這有什么意義咱們先按下不表，后續再論。

回到打包權和投票權，在PoS的系統里打包和投票兩件事是分開的。分配完打包權以后，拿到打包權的人就有資格出一個候選區塊。這個區塊里包含要處理的交易和打包權人自己的簽名。

但是候選區塊并不意味著就會被加入共識，在廣播候選區塊以后還需要由那些有投票權的人去投票。只有在投票后得到相對多數票的支持，候選區塊才會最終被加入共識，變成一個有效的區塊。當然投票的過程可以用很多方式執行，比較常見的就是可以用一個少數服從多數的共識算法去實現。

這一點跟PoW非常不一樣，因為在PoW系統里人們根本不知道全網的算力有多少，只能靠估計，而且一般還估計不準。所以PoW系統里幾乎不可能用一個確定的閾值去判斷什么是多數。

在PoS系統中，如果檢測到有的參與者違反了PoS共識的協議，就可以對他們做出一些懲罰。比如有的人把自己的一票投給很多個塊，或者說有票但就是不投，這些會對系統的安全性造成影響的行為都可以懲罰。

接下來，讓我們來看一下權益證明的優點有哪些：

1、礦工和持幣者的動機是一致的。

PoS的礦工都必須持幣，這意味著在PoS的生態里將減少不持幣但靠機器來挖礦的角色。在PoW的社區中，經常會出現有錢人、開發者、以及礦工三方的利益不是完全一致的情況，然后就會出現爭執，以至于最后很多事情都難以進展。而在PoS中，至少礦工和資本家的利益會更為一致，一定程度上減少了沖突和分歧。

2、PoS的延遲可以做得非常低，確認可以非常快。

在PoS系統里，拿到一個交易就可以馬上打包，打包以后就可以廣播，這個時間是不需要等待的，不像PoW，必須等至少做一個PoW問題的時間。PoS共識的延遲主要是受限于網絡和參與投票的人數。因為投票的人越多，要等的時間也就越久。

3、PoS比較環保，因為它不需要做工作量證明。

在Pos中，投票實際上就是做個簽名，最多再做一些簡單的運算，比求解PoW難題容易多，自然消耗的算力和電力就大大減少。

但不得不說，PoS的缺點也同優點相對，另外，它也失卻PoW系統的一些優點。

1、與無許可的PoW系統相比，PoS的系統在匿名性和許可性上稍微差一些。因為一個人如果要加入一個PoS的系統，首先要持有Token。這個Token是無法通過其他方式獲得，只能跟持有Token的人去做交易，且只有在交易成功拿到幣后才可以加入系統。不像PoW，只要有一臺機器接入系統，就可以直接挖到Token。

2、投票行為本身成本非常低，只需要做個簽名就可以生成一個有效的投票。這樣的話在安全性上會有一些問題。比如PoS系統常見的無利害攻擊問題。

另外，投票權可以復用，可以轉讓，這也是相當危險的。如果用戶把自己的私鑰賣給別人，那他以前投出的票或是在歷史上每個分支做出的選擇，拿到其私鑰的人都可以再去重新選擇一次。這會在安全性上帶來一些問題。

3、我們在前面提到過，在PoS機制中，分配投票權和打包權之前參與者的信息是已知的。因此，投票權的決定時間是早于生成候選區塊的。這樣一來意味著人們可以選擇的策略空間將會更大，整個博弈會變得更復雜。通常來說，策略空間大對于系統的安全性相當不利，因為這會給攻擊者留出更大的操作空間。其結果就是在PoS系統中會有更多的攻擊方式，比如無利害攻擊、長程攻擊等。

4、在PoS中礦工和資本家通常是一個人，盡管這會減少整個系統的博弈成本。但也意味著整個系統的中心化程度會水漲船高。

PoW和PoS

在區塊鏈中，有一個不可能三角，即安全性、效率和去中心化。通常情況下，這三方面是無法兼得的。而PoW和PoS就是在這三個方面做出了不同的取舍。

PoW以無許可和算力門檻保證了整個系統的安全性和去中心化程度，但在效率方面則不可避免的會有缺失，實際上其也確實長期被延遲高、低吞吐量等問題所困擾。

而PoS則選擇了另一條路，它不再無許可，取而代之，礦工成為了生態系統的實際參與人。這意味著如果礦工做出了不利于整個系統的決策，作惡者也會付出代價。但其投票機制也降低了整個系統的安全性，同時，礦工和資本的身份合一也讓系統出現了中心化的風險。

有人曾經打過一個比方。

在一個典型的PoS共識系統中，大家通過股權質押獲取一張門票，然后獲得門票的人坐在會議室里指點江山。

而在以比特幣為代表的PoW共識系統中，一群人坐在漆黑的荒野里，他們既不知道其他人的身份，也不知道荒野里一共有多少人、其他人何時來何時走，只能通過喊出自己的觀點和聽清他人的喊聲來交流并最終達成共識。

不得不說這個比方相當的形象，PoW和PoS的特點盡顯無疑。而實際上兩者孰優孰劣是無法比較的，對他們的采用只能體現出兩種不同的權衡。

ETH2.0最終決定采取PoS也意味著對目前的ETH來說，效率問題已經相當嚴峻了，因此可能需要以一定的安全性和去中心化程度作為交換，這是無可厚非的，畢竟當下沒有可以兼顧的解決方法。

如果能把PoW和PoS的優勢結合起來，就有可能做到一個安全性又高，確認又快，吞吐量大，而且能耗比較合理的系統。

但其技術難度之大，自不必多說。因此，目前我們只能靜觀其變，期待更好的解決方案橫空出世。

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