Vitalik:为什么选择PoS?

来源:Bitfrost

前言:Vitalik Buterin 于 2020 年 11 月 6 日在 Twitter 发布了一篇名为: “Why Proof of Stake? (Nov 2020)” 的文章。V 神认为, PoS (权益证明)共识机制下的区块链网络, 比 PoW (工作量证明)更安全,面临攻击的防御措施比后者更完善,且参与验证的门槛更低。

原文链接:https://vitalik.ca/general/2020/11/06/pos2020.html

01

为什么选择 Proof of Stake (PoS)?

相较于 PoW(工作量证明)共识机制,PoS 是一种更优的区块链安全机制,主要有三个原因:

1. PoS 在相同的成本下更安全

最简单的比较方法就是将两者并列,看看每天每 $1 的区块奖励下攻击一个网络的成本是多少。

  • 基于 GPU 挖矿的 PoW 

租用 GPU 是很便宜的,所以攻击网络的成本只是租到足够的 GPU 超越现有矿工的成本。每 $1 的出块奖励,现有矿工应该花费 $1 左右的成本(如果花费多了,矿工会因为无利可图而退出;如果花费少了,新的矿工可以加入进来,获取高额利润)。因此,攻击网络只需要每天暂时花费超过 $1 ,而且只需要几个小时。

攻击总成本:约 $0.26 (假设攻击时间为6小时),随着攻击者获得出块奖励,有可能降至零。

  • 基于 ASIC 芯片挖矿的 PoW

ASIC 芯片是一种资金成本,可以预期它在磨损、或被更好的硬件淘汰之前还能用 2 年左右。如果一条链遭到 51% 攻击,社区很可能会通过改变 PoW 的算法来应对,如此 ASIC 芯片将失去价值。平均来说,挖矿约 1/3 的持续成本和 2/3 的资金成本。因此,每天每 $1 的出块奖励,矿工将花费约 $0.33 的电费 维护费,还有约 $0.67 的 ASIC 成本。假设一个 ASIC 芯片的寿命约为 2 年,那么矿工需要在该数量的 ASIC 硬件上花费 $486.67 。

攻击总成本:$486.67(ASIC)  $0.08(电费 维修费)= $486.75

不仅使用 ASIC 芯片挖矿的 PoW 中攻击成本变高了,提供这种高成本攻击防范的同时使得整个网络趋于中心化,因为矿工加入的门槛也变高了。

  • 权益证明 PoS

权益证明中几乎全部是资金成本(存入的币),唯一的运营成本是运行节点的成本。现在,大家愿意锁定多少资本来获得每天 $1 的奖励呢?与使用 ASIC 不同的是,存入的币不会发生折旧,当质押完成后,经过短暂的等待期便可以取回质押的币。因此,参与者应该愿意为同样数量的奖励支付更高的资金成本。

我们假设,约 15% 的回报率足以激励人们去押注(这就是以太坊 2.0 的预期回报率)。那么,每天 $1 的奖励将吸引 6.667 年的存款回报,即 $2433。一个节点的硬件和电费成本很少,而一台千元电脑的成本可支持质押几十万元美元的资金,每个月约 $100 的电费和网费足以满足这样的需求。但保守的说,这些持续成本占到了质押总成本的 10% 左右,所以每天只有约 $0.9 的奖励,最终对应的是资金成本,所以需要把上面的数据减少约 10% 。

攻击总成本:$0.9 每天 * 6.667 年 = $2189

从长远来看,随着质押率的提高,这一成本预计会更高。我个人预计这个数字最终会上升到 $10000 左右。

维持这种安全体系唯一的“成本”只是在于押注中的资产不具有流动性。甚至可能会出现这样的情况:公众知道这些资产都被锁起来会导致币价上升,所以在社区里漂浮着准备进行投资的资金总量保持不变! 而在 PoW 中,维持共识的“成本”是消耗大量的电力。

  • 安全性更高还是成本更低?

有两种方式可以在低成本中实现 5-20 倍的安全增益。一种是保持出块奖励不变,从提高安全性中获益;另一种是大规模减少出块奖励(从而减少共识机制的“浪费”),保持安全水平不变。

两种方式都可以。我个人更倾向于后者,因为我们在下面会看到,在权益证明中,即使是成功的攻击也比工作量证明的攻击危害要小得多,也容易恢复得多!

2. 在PoS共识机制下,受到攻击更容易恢复

在 PoW 网络中,如果你的链受到链 51% 攻击,你都能做什么?到目前为止,实践中唯一的应对措施就是 “等到攻击者主动撤销攻击”。但这忽略了一种更危险的攻击可能性,这种攻击叫做产卵营攻击(Pawn Camping Attack),攻击者一次又一次地进行攻击,目的很明确,就是为了使整条链瘫痪。

在一个基于 GPU 的系统里,没有任何防御措施,一个持久性的攻击者可以轻而易举地使整条链永久瘫痪(或者切换到 PoS 或 PoA )。事实上,在进行攻击的几天后,攻击者的成本可能降至非常低,因为诚实的矿工无法在被攻击的链中得到出块奖励,从而退出。

在基于 ASIC 的系统中,社区可以应对第一次攻击,但随后又变得束手无策。首先社区会通过硬分叉改变 PoW 算法来应对第一次攻击,从而将所有 ASIC (攻击者的和诚实矿工的)“锁定”。但如果攻击者愿意承受这最初的费用,在这之后情况就会恢复到与 GPU 的情况一样(因为没有足够的时间来构建和为 ASIC 分发新算法),所以攻击者可以廉价地继续产卵营攻击,这是不可避免的。

当然在 PoS 的情况下会好很多。对于某些类型的 51% 攻击(特别是回滚最终确定的区块),在权益证明中有一个内置的“惩罚(Slashing)”机制,通过这个机制,攻击者的大部分股权(并不包括其他人的)将被自动销毁。对于其他更难发现的攻击(51%的联盟审查- A 51% coalition censoring everyone else),社区可以在少数用户激活的软分叉(UASF)上进行协调,攻击者的资金再次被大部分销毁(在Ethereum中,这是通过 “Inactivity Leak Mechanism” 完成的)。不需要明确的 “硬分叉货币消除”,除了要求在 UASF 上协调选择少数区块外,其它都是自动的,只需要按照协议规则执行即可。

因此,第一次攻击该链将使攻击者损失数百万美元,而社区将在几天内恢复正常。第二次攻击仍然会让攻击者损失数百万美元, 因为他们需要购买新币来替换被销毁的旧币,而第三次则会花费更多的成本。这个游戏是不对称的,对攻击者非常不利。

3. 相比 ASIC,PoS 更加去中心化

基于 GPU 挖矿的 PoW 是合理去中心化的,得到一个 GPU 并不难。但基于 GPU 的挖矿在我们上面提到的 “安全性 “标准上基本不合格。而基于 ASIC 的挖矿,则需要几百万美元的资金才能进入(如果你从别人那里购买 ASIC,大多数时候,矿机制造公司的获利要更多)。

这也是常见的 “权益证明意味着富人更富 “论点的正确答案。ASIC 的挖矿也意味着富人更富,而且这个游戏只限于富人。至少在 PoS 中,质押所需的最低金额相当低,很多普通人都能承受。

另外,PoS 更耐审查。GPU 和 ASIC 挖矿都是非常容易被发现的:它们需要大量的电力消耗、昂贵的硬件采购和大型仓库。而 PoS 则可以在一台不起眼的笔记本电脑上完成,甚至可以通过 VPN 完成。

02

PoW 的优势

我认为 PoW 有两个真正优势,尽管我认为这些优势很薄弱。

1. PoS 更像是一个 “封闭的系统”,财富集中需要很长时间。

在 PoS 中,如果你有一些币,你可以质押它们获得更多的奖励。在 PoW 中,你可以不停赚取更多奖励,但你需要更多外部资源。因此,我们可以说从长期来看,PoS 中币的分配有可能变得越来越集中。

在 PoS 中普遍的奖励(验证人收入)很低;在以太坊 2.0 中,我们预计每年的验证人奖励相当于 ETH 的总供应量约 0.5-2% ,而验证人越多,利息就越低。因此,集中化可能需要一个多世纪的时间才能翻倍,而在这样的时间尺度上,其它的压力(人们想要花钱、把钱分配给慈善机构或子女之间等)很可能会占据主导地位。

2. PoS 需要 “弱主观性(weak subjectivity)”, PoW 则不需要。

关于 “弱主体性 “的概念,(请看V神的原文介绍)。本质上,当一个节点第一次上线,或任何一个节点在离线很长一段时间(即多个月)后上线时,该节点必须找到一些第三方来源来确定正确的链头。这可能是他们的朋友、交易所、区块搜索网站、客户端开发者等等。但 PoW 没有这个要求。

可以说这个要求很容易实现,用户需要在某种程度上信任客户端开发者或社区所提供的内容。至少,用户需要相信有人(通常是客户端开发者)来告诉他们协议是什么,以及协议的任何更新。这在任何软件应用中都是不可避免的。因此,PoS 所带来的边际额外信任要求还是相当低的。

即便此间可能确实存在一定风险,但我还是相信 PoS 网络拥有远超于 PoW 网络的效率以及恢复能力。

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