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  • 区块链工作量证明与权益证明
    2021-07-08 15:03:02

    工作量证明(PoW)与权益证明(PoS)

    公有链通过协商一致的机制发挥作用,在没有第三方(如银行)的情况下验证交易的过程。【.本文​由qkljys123整理发布.】

    PoW工作量证明共识机制和PoS权益证明共识机制,虽然他们达成交易有效性共识的目标保持不变,但他们达成共识的方式略有不同。

    1、PoW工作量证明共识机制是什么?

    PoW,是当前采矿的技术术语,也是最初的共识机制。在我们撰写本文时,比特币和以太坊还在使用这种共识机制。但如前所述,到2022年以太坊将转向PoS权益证明共识机制,PoW是基于密码学的,原理是解决只有计算机才能解决的数学方程。

    上一节中关于如何将区块添加到比特币区块链中的示例解释了该系统。

    PoW的两大问题是,其一它使用大量电力,其二它同时只能处理有限数量的交易(比如一秒钟比特币区块链最多处理7次交易)。交易通常需要至少10分钟才能完成,当网络拥堵时,这种延迟还会增加。尽管与全球各地汇款,甚至结账所需的时间相比,比特币十分钟的延迟仍然是相当高效的。

    为了解决这些问题,开发人员建立了其他的共识机制,目前最受欢迎的是PoS权益证明共识机制。

    2、什么是PoS权益证明共识机制?

    PoS共识机制仍然使用加密算法进行验证,但交易会根据所选验证节点持有多少通证(也称为其质押的份额)进行验证。

    从技术上讲,个人没有采矿,也没有区块奖励。相反,区块是“伪造的”。参与这一过程的人会在网络上锁定特定数量的通证。

    一个人质押的份额越大,他们拥有的采矿权就越大,他们被选为下一个区块的验证者的可能性也就越大。

    为了确保那些通证最多的人不总是被选中,使用了其他的选择方法。这些包括随机化区块组的选择(选择具有最高赌注和最低散列值的伪造节点)和通证持有年龄选择(根据持有通证的时间选择伪造节点)。

    其结果是交易用时更短、成本更低,例如,NEO和Dash等加密货币可以在几秒钟内发送和接收交易。

    区块链和可扩展性的三重困境:去中心化、安全性和可扩展性

    大多数区块链项目都是围绕去中心化、可扩展性和安全性三个核心属性构建的,开发人员一直在努力平衡这些方面,并不会妥协。

    但他们常常不得不牺牲一个来换取另一个,“区块链不可能三角”的概念最早是由以太坊的创始人Vitalik Buterin提出的“可扩展性三重困境”发展而来的。

    让我们更详细地了解这些概念,并探讨其中的利弊:

    1、去中心化

    去中心化意味着没有中心机构,取而代之的是,决策是通过在去中心化计算机网络上达成共识做出。

    在这里速度成为了一个重要的衡量标准,发送交易需要更长的时间,因为需要多次确认才能验证交易,这就是为什么比特币交易速度慢的原因。

    2、可扩展性

    可扩展性是指系统是否能够处理越来越多的交易,可扩展性对于大规模的采用是至关重要的,因为随着越来越多的人使用它,任何系统都需要高效地运行。

    下面是关于以太坊、比特币以及信用卡公司每秒可以处理多少笔交易的粗略分类:

    比特币:每秒7笔交易

    以太:每秒30笔交易

    信用卡:每秒可以同时处理5000张信用卡的交易,如果有需要的话,Visa每秒可处理多达24000次交易。

    但是,实现可扩展性往往是以去中心化为代价的,例如,EOS承诺最高可达到4000 TPS(每秒可处理4000笔交易),但由于过于中心化而饱受批评。

    3、安全性

    安全性是一个区块链被保护免受攻击的能力,不幸的是,交易所和源代码多次被黑客入侵。这表明许多开发人员关注的是可扩展性和去中心化。而这是以牺牲安全为代价。【.本文​由qkljys123整理发布.】

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    区块链学习笔记20——ETH权益证明

    学习视频:北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》
    笔记参考:北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课系列笔记——目录导航页

    权益证明(POS——Proof of stake)

    POW能耗

    数据来源:https://digiconomist.net/

    目前比特币和以太坊都是基于工作量证明的共识机制,这种共识机制对电力的浪费非常严重

    比特币能耗
    下图为比特币系统电力消耗随着时间变化的情况。y轴的单位为Twh,1Twh = 10^9 Kwh,1Kwh就是我们平时生活中常说的“一度电”。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    可以看到比特币系统的能耗是相当大的,每个交易的平均能耗是1000度电,但是尽管成本很高,却仍然存在利润空间。
    在这里插入图片描述

    以太坊能耗
    以太坊能耗也是随时间增长的,中间有一点波动在这里插入图片描述
    以太坊的出块时间短,所以每个交易的平均能耗少在这里插入图片描述

    比特币和以太坊的能耗相加当做一个国家来看
    在这里插入图片描述

    思考

    挖矿消耗的这些能源是必须的吗?矿工为什么要挖矿?
    矿工挖矿是为了取得出块奖励,获取收益。而系统给予出块奖励的目的是激励矿工参与区块链系统维护,进行记账,而挖矿本质上是看矿工投入资金来决定的(投入资金买设备->设备决定算力->算力比例决定收益)。
    那么,为什么不直接拼“钱”呢?现状是用钱购买矿机进行挖矿比拼算力,那么为什么不直接将钱投入到系统开发和维护中,而根据投入钱的多少来进行收益分配呢?这就是权益证明的基本思想。

    权益证明

    采用权益证明的货币,一般在正式发行之前会先预留一些货币给开发者,而开发者也会出售一些货币换取开发所需要的资金,在系统进入稳定状态后,每个人都按照持有货币的数量进行投票。

    优点

    1. 省去了挖矿的过程,减少了能耗
    2. POW中维护其安全的资源没有形成闭环,它需要通过显示中的货币去购买矿机,这也就导致只要有人想要攻击,只需要外部聚集足够资金就可以成功。而对于POS,要想发动攻击的话需要得到这个币种发行量一半以上的份额才行,发动攻击的资源只能从这个加密货币的内部才可以得到(闭环)。

    POS与POW并不是互斥的,有的加密货币采用一种混合模型,即仍然需要挖矿,但挖矿难度跟你持有的币的数量有关,持有的币越多,挖矿越简单。当然这也是有问题的,即持有币数量最多的人每次挖矿都是最容易的。所以,有的加密货币要求投入的币会被锁定一段时间不能重复使用,比如:挖当前区块投入一定数量的币用于降低挖矿难度,等这个区块发布后,这些币会被锁定一段时间,下次再挖的时候这些币就不能再用了,要过多少个区块之后才能再用。

    权益证明的应用仍然存在很多挑战,其中一个就是“两边下注”的问题

    如下图所示,区块链系统产生了分叉,存在两个区块A和B竞争主链时,如果是工作量证明的话,同时挖A、B两条链会因为算力分散导致挖到区块的概率降低,但是采用权益证明的话,在A和B同时进行了下注。最终A区块胜出,那么他能够获得A区块相应收益,而在B区块进行投票放入的“筹码”只记录在下面的分叉上并不影响你在上面分叉上的使用,这也就导致其每次都能获得收益。
    由于一个人可以拥有多个账户,所以我们无法强迫一个人一次只能投向一个区块。而越有钱的人,通过“双边下注”得到的收益也就越多。
    在这里插入图片描述

    以太坊准备采用的权益证明协议

    以太坊中,准备采用的权益证明协议为Casper the Friendly Finality Gadget(FFG),该协议在过渡阶段是要和POW结合使用的。为工作量证明提供Finality。

    Finality是一种最终的状态,包含在Finality中的交易不会被取消

    单纯基于挖矿的交易是有可能被回滚的,比特币中规定要等六个区块来防止被回滚,但这只是说明回滚的概率比较小,但是只要攻击者的算力足够强(占到50%以上)仍然可能回滚该交易。所以单纯基于挖矿的区块链是缺乏这种Finality的。

    Casper协议引入一个概念:Validator(验证者),一个用户想要成为Validator,需要上交一笔“保证金”,这笔保证金会被系统锁定。Validator的职责是推动系统达成共识,投票决定哪一条链成为最长合法链,投票权重取决于保证金数目。挖矿的时候每挖出一百个区块就作为一个epoch,然后通过投票决定其能不能成为一个Finality。

    投票时采用two-phase commit,第一轮投票是Prepare Message,第二轮投票时Commit Message,Casper规定每一轮投票都要得到2/3以上的验证者才能通过(按照保证金的金额大小计算)实际系统中不再区分这两个Message,而且把epoch从100个区块减到50个区块,且只需要一轮投票(对于上一个epoch是Commit Message,对下一个epoch是Prepare Message),要连续两轮投票都得到2/3以上的多数才算有效。

    原始版本:
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    优化后:
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    矿工挖矿会获得出块奖励,而验证者也会得到相应奖励。当然,为了防止验证者的不良行为,规定其被发现时要受到处罚。例如某个验证者“行政不作为”,不参与投票导致系统迟迟无法达成共识,这时会扣掉部分保证金;如果某个验证者“乱作为”,给两个有冲突的分叉都进行投票(两边下注),被发现后没收全部保证金。没收的保证金被销毁,从而减少系统中货币总量。验证者存在“任期”,在任期结束后,进入“等待期”,在此期间等待其他节点检举揭发是否存在不良行为进行惩处,若通过等待期,则可以取回保证金和应得的奖励。

    Q:通过验证者达成的Finality有没有可能被推翻?
    A:如果发动攻击的组织仅仅作为矿工的话是无法推翻的,必须在系统中,存在大量“验证者”对前后两个有冲突的Finality都下注。也就是说,至少1/3(该协议规定超过2/3才有效)的验证者两侧都投票。而这一旦被发现,这1/3验证者的保证金将会被没收。

    以太坊系统设想,随着时间推移,挖矿奖励逐渐减少而权益证明奖励逐渐增多,从而实现POW到POS的过渡,最终实现完全放弃挖矿。

    为什么以太坊不从一开始就用权益证明呢?
    因为权益证明还不是很成熟,工作量证明是很成熟的,经过了时间的检验(bug bounty)。
    EOS加密货币,即“柚子”,就是采用权益证明的共识机制,其采用的是DPOS:Delegated Proof of Stake。该协议核心思想是通过投票选21个超级节点,再由超级节点产生区块。但目前,权益证明仍然处于探索阶段。

    其他观点

    前面的基本观点都是基于“挖矿消耗大量电能,而这是不好的”这一观点,但也有人持有相反观点。
    他们认为其所消耗的电能所占比值并不大,而且其对于环境的影响是有限的。挖矿提供了将电能转换为钱的手段,而电能本身难以传输和存储,一般来说,白天所发的电不足,晚上所发的电又多于实际需求,很多大型数据中心要建在电比较便宜的地方,就是因为传输数据比传输电要容易。因此,挖矿为将多余的电能转换为有价值的货币提供了很好的解决手段。
    也就是说挖矿消耗电能可以有效消耗过剩产能,带动当地经济发展。

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  • 权益证明

    2020-01-09 23:06:45
    比特币和以太坊目前用的都是基于工作量的证明,这种共识机制受到普遍的批评就是浪费...这就是权益证明的思想,权益证明有时候也叫virtual mining。 采用权益证明的交易货币,一般会在正式发行之前预留一些货币给开发...

    比特币和以太坊目前用的都是基于工作量的证明,这种共识机制受到普遍的批评就是浪费电。

    矿工挖矿是出于出块奖励,算力越大,出块奖励平均下来就越大,算力取决于设备的多少,也就是资金的投入,资金投入越多,奖励也越丰厚。那么我们可不可以不挖矿,直接比拼资金,奖励按资金比分配?这就是权益证明的思想,权益证明有时候也叫virtual mining。

    采用权益证明的交易货币,一般会在正式发行之前预留一些货币给开发者,也会出售一部分货币来换取开发加密货币所需要的资金,将来按照权益证明的共识机制,每个人按照持有货币的数量进行投票,这种方法和工作量证明相比有一些优点,一个是不需要挖矿了,减少能耗;二是挖矿的算力从现实世界来,攻击者只要足够富裕,买大量矿机就可以发动攻击,对于小币种是致命打击,权益证明是按持有的货币数量进行投票,类似股票分红,如果某人想发动攻击,他需要先获得货币总量的51%才能发动攻击,也就是说发动攻击的资源必须从加密货币的系统中来,这样就系统形成了一个闭环,无论攻击者在系统外有多少资源,都不会对系统造成直接的影响,如果一定要发动攻击就要买大量的币,造成币的大涨,而开发者和早期矿工就可以从中获利。权益证明和工作量证明不是互斥的,有些加密货币采用的是混合模型,仍然要挖矿,但是挖矿难度和持有多少币是相关的,币越多难度越低,但是这样简单设计有一个问题就是富人挖矿越来越简单。有些两者混用的加密货币系统会将用于降低挖矿难度的币锁定一段时间,下次再挖一个区块的时候,不能用锁定的币降低难度,过几个区块才能使用,这种叫proof of deposit。

    权益证明有许多问题,早期的权益证明有一个问题是两边下注
    在这里插入图片描述
    上图出现分叉,如果挖矿的话,我们会沿着上面这条链继续挖,但是下面的链也有可能成为最长合法链,只要下面这个分支连续挖出好几个区块。但是矿工不会两边都挖,因为算力会分散。如果不挖矿,用权益证明的话,两边都可以下注,如果上面那条链成为最长合法链,下面分支锁定的币对上面分支没有影响的,所以这种情况叫nothing at stake。

    以太坊准备采用的权益证明协议叫做Casper the Friendly Finality Gadget(FFG),它在过渡阶段也是要和工作量证明混合使用,为工作量证明提供finality,finality 是最终状态,包含在finality中的交易不会被取消,单纯基于工作量证明是有可能被回滚的,Casper协议引入validator,要想成为validator,必须投入一定数量的以太币作为保证金,这个保证金会被锁定,validator推动系统达成共识,投票决定哪条链是最长合法链,投票权重取决于保证金的大小。挖矿的时候(混用状态下)每挖出一百个区块,就作为一个epoch,然后要决定它能不能成为finality要进行投票,投票进行两轮,类似于数据库的two-phrase commit,一个是prepare message,一个是commit message,Casper规定每一轮投票都要获得2/3以上的投票才能通过。实际当中不区分投票阶段,epoch也减少至50个,每个epoch只用一轮投票就行,这轮投票对于上一个epoch来说是commit message,对于下一个epoch来说是prepare message,要连续两个epoch都得到2/3的投票才算有效。
    在这里插入图片描述
    上图是早期的Casper协议,100个区块构成一个epoch,每个epoch要投两轮,都要获得2/3的票

    在这里插入图片描述
    上图是实际的Casper,这轮投票对于上一个epoch来说是commit message,对于下一个epoch来说是prepare message,要连续两个epoch都得到2/3的投票才算通过。
    验证者验证的好处是如果验证者履行职责,那么可以获得相应的奖励,就像矿工挖矿能获得出块奖励一样,验证者验证也可以得到奖励,相反,如果验证者有不良行为,要受到相应处罚,比如验证者不作为,导致系统迟迟达不成共识,这样要扣掉验证者的部分保证金,如果验证者乱作为,给两个有冲突的分叉都投票,这种情况要没收全部的保证金。没收的保证金会销毁,相当于减少了以太币的总量。每个验证者有一定的任期,任期满了之后要经过一定时间的等待期,等待期是为了让其它节点可以检举验证者的不良行为,等待期过了没有受到惩罚那么验证者可以取回保证金以及一定的奖励,这就是casper协议的过程。

    这里有一个问题,包含在finality的交易是不是一定不会被回滚,假设有某个恶意节点发动攻击,如果他只是一个矿工,那么他是不能推翻已经达成的finality,因为finality是验证者投票投出来的。如果有大量的验证者两边下注,给前后两个有冲突的finality都下注,casper协议规定每轮投票要2/3的支持才算通过,所以至少有1/3的验证者是两条分叉都投票了。

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    内容整理自 北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课 21-ETH-权益证明

    比特币和以太坊都是用的基于工作量的证明,这种共识机制一个普遍批评就是浪费电

    比特币能耗随时间变化的情况:随时间不断增长

     比特币具体的统计数据:

    比特币每年的总能耗大约是70TWh

    相当于智利国家的能耗

    相当于647万多美国家庭的能耗

    占全世界总能耗的0.31%

    平均每个交易消耗1014KWh

    相当于34.26个美国家庭一天的能耗  

    比特币挖矿每年总收入60多亿美元,费用大概在35亿美元,占总收入的57.48%。挖矿利润空间还是很大。

    以太坊能耗随时间变化的情况:也是随时间增长

    以太坊具体的统计数据:

    以太坊每年能耗大概是20TWh

    相当于冰岛国家能耗

    相当于美国183万个美国家庭的能耗

    占全世界总能耗的0.09%

    每个交易的能耗大概是67KWh

    相当于2.25个美国家庭一天的能耗

    以太坊每年挖矿收入是59多亿美元,费用是24亿美元,利润空间大。 

    把比特币和以太坊的能耗加在一起当做一个国家来算:芬兰,比利时,巴基斯坦,比特币+以太坊,哈沙克斯坦,阿联酋,荷兰

    权益证明:

    矿工挖矿为了取得出块奖励获得收益,给矿工奖励是为了激励矿工参与区块链的维护,如果没有奖励矿工没有动力参与记账。矿工要想挖矿就需要一大笔资金去买挖矿设备,挖矿的收益由挖多少区块决定,挖多少区块由算力所占比例决定,算力由有多少设备决定,设备由有多少资金决定。投入的资金越多,买到的设备越多,挖矿的算力越大,得到的收益就越多。所以挖矿的收益是由投入资金决定的,那么能不能靠直接比资金多少来决定资金分配。把资金投入到区块链的开发, 将来就按照每个人投入资金的多少来决定收益分配,这就是权益证明的基本思想,有的时候也称为virtual mining。采用权益证明的加密货币一般在发行之前会先预留一部分货币给开发者,也会预留一部分货币来换取开发加密货币需要的资金,将来按照权益证明的共识机制每个人按照持有货币的数量来进行投票。

    这种方法和工作量证明相比,一个明显的好处是省去了挖矿的过程,也避免由此带来的能耗和对环境的影响。基于工作量证明的共识系统从某种意义上说,维护区块链安全的资源不是一个闭环。Block Chain is secured by mining, 挖矿的设备是由法币买来的,也就是说是从加密货币的生态系统外面得到的。这就带来一个问题,虽然最近两年加密货币总市值有很大的增长,但是和世界经济总量相比仍然是微乎其微,所以如果有某个组织想发动恶意攻击,只需要有足够的资金来购买挖矿设备,然后聚集到加密货币总算力一半以上的算力就可以,也就是说发动攻击所需要的资源是可以从外部得到的。如果是刚发行的小币种(AltCoin)遇到这种攻击可能是致命的,AltCoin Infanticide。

    权益证明是按照你有多少该币种的币进行投票,所以如果有某人想发动恶意攻击,需要先设法获得该币种发行量一半以上的份额,也就是说发动攻击的资源只能从加密货币系统内部得到,这也是说为什么是闭环的原因。无论攻击的组织者在外部拥有多少钱,多少资源,都不会对加密货币系统造成直接影响,必须先要用钱去买足够多的币,然后才能发动攻击。而一旦有人大量买入加密货币,货币价格会大涨。

    权益证明和工作量证明不一定是互斥的,有的加密货币采用的是混合模式,仍然要挖矿,但是挖矿难度和占有的权益相关。比如说每个矿工拥有一定数量的币,挖矿的时候持有的币越多,挖矿的难度越小。这种带来的问题是拥有币最多的人,挖矿最容易。所以有的加密货币要求投入的币会锁定一段时间,不能够重复使用。比如挖当前区块时投入一定数量的币用于降低挖矿难度,那么等区块发布出来之后,投入的币就会锁定一段时间,挖下一个区块的时候这个币就不能再用了,要过一段时间才能重复使用,这叫做proof of deposit。

    基于权益证明的共识机制面临许多挑战,早期面临的挑战就是两边下注,nothing at stake。比如有下面这样一个区块链,如果挖矿的话会沿着上面那条链去挖,因为是最长合法链。其实下面那条链也有可能成为最长合法链,但是不会两条线都挖,因为这样做会算力分散,挖到区块的概率减少。但是如果是权益证明,可以两边都下注,如果上面成为最长合法链,那么在下面锁定的那些币是没有影响的。这是早期基于权益证明的共识机制遇到的一个问题。

    以太坊中准备采用的权益证明协议叫作Casper the Friendly Finality Gadget(FFG)。在过渡阶段也是要和工作量证明混合使用的。为工作量证明提供Finality,是一种最终的状态。包含在Finality中的交易不会被取消,单纯基于工作量证明(挖矿)的交易是有可能被回滚的。Casper协议引入一个概念叫作Validator,要想成为一个Validator需要投入一定数量的以太币作为保证金,保证金会被系统里面锁定住。Validator的职责是推动系统达成共识,投票决定那条链是最长合法链,投票权重取决于保证金数目大小,类似于数据库中的two-phase commit。挖矿的时候每挖出100个区块就作为一个epoch,然后决定它能不能成为Finality进行投票,第一轮投票是prepare message,第二轮投票是commit message。每一轮投票都要有2/3的验证者验证通过,按照保证金金额大小计算。实际系统中不再区分两个message,而且把epoch从原来的100个区块减少到50个区块,然后每个epoch只进行一轮投票即可,这个投票对于上一个epoch来说是commit message,对于下一个区块来说是prepare message。连续两轮投票,也就是两个epoch都得到2/3以上的通过才算有效。

    验证者参与这个过程的好处是,如果验证者履行职责可以得到一定的奖励,就像矿工挖矿得到出块奖励,相反如果验证者有不良行为会受到相应处罚。比如某个验证者行政不作为,会扣掉一部分保证金,如果两边下注会没收全部保证金,没收的保证金被销毁,相当于减少了以太币的总供应量。验证者有一定的任期,即使交保证金也不是永久任职,任期满之后要经过一定时间的等待期,等待期是为了让其他节点检举验证者是否有不良行为,进行处罚。如果等待期过了没有问题,可以取回保证金以及应得的奖励。

    Casper协议可以给挖矿挖出的区块的某种状态做一个检查点,那么检查点是不是绝对安全?通过验证者投票达成的finality有没有可能被推翻?假设有某个有恶意的组织要发动攻击,如果该组织仅仅是矿工是没有办法推翻finality。如果出现攻击成功的情况,一定是大量的验证者两边下注,给有冲突的finality都下注,至少有1/3的验证者是两边都投票的,一旦被发现了这1/3的验证者的保证金将会被没收。

    之所以不在一开始就用权益证明,是因为权益证明不是很成熟,工作量证明是比较成熟的。

     

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    权益证明与错误的工程思维 许多权益证明(Proof-of-Stake, PoS)项目涌现出来。以太坊 Casper,卡尔达诺(Cardano)的 Ouroboros,等等。对权益证明协议日益高涨的兴趣可能源于无限扩展区块链的愿望,再加上认定...
  • 基于委托权益证明的区块链共识算法改进研究 摘要 区块链随着比特币的诞生而出现在人们的视野中随着以比特币为代表的数 字货币风靡全球区块链作为比特币的底层技术而受到全球各大组织以及经济体 的研究以及关注区块链...
  • 权益证明问题 —— Proof of Stake FAQ

    千次阅读 2018-04-11 11:00:43
    原文:Proof of Stake FAQ什么是权益证明权益证明(Proof of Stake,PoS)是一种公有(区块)链的共识算法,它基于网络中验证者的经济利益。在基于工作证明(PoW)的公有链(例如比特币和以太坊的之前的实现)中,该...

空空如也

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