摘要
在这篇文章中，我们分析了权益证明（ PoS ）共识系统。我们就它的理论优势和弱势进行了研究。然后，我们分析了迄今为止尝试过最著名和新颖的 PoS 提案的具体细节，在这些提案细节中，我们发现有些提案使得纯 PoS 系统变得越来越复杂以至看起来有点不切实际。我们也就最新的以太坊提案进行了分析，以往的尝试相比，我们认为这是一项重大的改进，它可以为以太坊网络安全性提供优势。然而，该系统仍然严重依赖于工作证明（ PoW ），区块的生成仍然依赖于该证明，并且我们不清楚 PoS 在该过程中是否有助于确保节点汇聚在一条链上。因此，我们对以太坊未来能否大幅减少对 PoW 系统的依赖持怀疑态度。
引言
在深入探讨权益证明（ PoS ）的具体细节之前，重要的是要了解建立这些共识系统时想要达到什么目的。本质上，他们试图构建的数据结构需要具有以下属性：
- 数据的内容不被任何一个实体控制（去中心化的数据存储和数据验证是不够的）;
- 数据库可以演化（卡斯帕术语：“有活力”）;另外重要的是
- 参与者对数据内容是有共识的，即当冲突发生时节点有一种机制来决定哪一条是有效的区块链（卡斯帕术语：“安全”）
当两个有效竞争的链条冲突时， PoW 使用积累的工作规则来决定哪一条有效（分叉选择规则）。这不仅为上述第三点提供了解决方案，另外 PoW 机制自身也解决了区块生产和区块产出的时间问题。总的累积工作是分岔选择规则，但区块生产者也需要在每个区块中包含一个 PoW 元素，这个过程是随机的，因此每个区块的生产者以及每个区块的生成时间问题也可以透过 PoW 解决。
PoS 是一个基于积累权益（即拥有最多加密币支持，投票或投注的）分叉选择规则的概念。然而，与 PoW 不同的是， Pos 无法直接解决谁生产区块或生产区块的时间问题。因此这些问题需要通过其他机制来解决。然而， PoW 同时解决了加密币分配的问题，所以 PoW 也是 PoS 系统中可行的替代方案之一。
PoS 的理论概述
拜占庭将军问题
拜占庭将军问题说明了在尝试构建具有上述属性的数据结构时涉及的一些主要挑战。本质上，主要问题是关于区块产出时间及如何确定应该先更新分类帐上的哪些数据。实际上，如果三分之一以上的参与方有问题，那么从数学的角度来看，这个问题是无法解决的，正如 Leslie Lamport 在 1982 年所证明的那样。
它表明，仅在起码有三分之二以上的将军是忠诚的情况下，口头协议才能有效;换句话说，一个叛徒可以混淆两个忠诚的将军
资料来源：拜占庭将军问题（ 1982 ）
因此， PoW 可以被认为是一个不完美的方案，它有一个相当强大的拜占庭容错系统，但在统计数学上便相对弱一些。正是在这种情况下，由于系统不完善，人们应该像分析 PoW 那样分析所有其他 PoS 的替代品，因为这些系统也会有它们的缺陷。
在 PoS 中有两个竞争的哲学。其中一个来自 PoW 。基于此的加密币包括 Peercoin ， Blackcoin 以及之前的以太坊 PoS 提案迭代。第二个哲学更多的是基于 20 世纪 80 年代 Lamport 的学术研究，并且基于 Lamport 认为建立拜占庭式容错系统需要大于三分之二。以太坊目前对卡斯帕（ Casper ）提案偏向了第二个哲学方案。
PoS 的优势
PoS 通常在 PoW 的背景下进行研究，作为解决或减轻基于 PoW 的系统中的负面外部因素或问题的替代方案：
更环保
也许 PoS 系统中最被广为流传的优点是它不像 PoW 需要经过一个能源密集型的消耗过程。如果 PoS 的系统可以具有与 PoW 系统相同特性，则可以避免对环境损害。这对 PoS 来说是一个重要正面的因素，尽管在实际上此问题可能被夸大了，就如我们在比特币能源消耗方面的文章所提到的那样，因为矿工们根据成本考量会使用成本较低的能源或再利用其他能源作为动力来源，从而降低了对环境的损害。
激励措施更紧密一致
PoW 系统的另一个主要问题是矿工的利益可能与加密币持有人的利益不一致，例如，矿工可以出售他们的加密币，然后只关心短期而非长期加密币价值。另一个问题是哈希率可能会被出租，而承租人对于系统的长期前景又没有经济利益。而 PoS 直接将共识代理人与加密币的投资联系了起来，理论上来说投资者与共识代理人之间的利益是一致的。
采矿中心化和 ASIC
PoS系统的另一个关键优势是可能改善中心化。 PoW 采矿有许多中心化的优势在 PoS 系统中是不适用的：
- ASIC 生产成本昂贵且被垄断（比特大陆占有很高的市场份额）;
- 芯片代工厂昂贵且被垄断（台积电，英特尔，三星和中芯是仅有的规模厂商）;
- ASIC 相关技术有可能会被专利垄断;
- 廉价能源有限，并且无法轻易获取;和
- 采矿的许多层面将形成规模效应，例如维护成本和能源成本，从而实现中心化。
PoS 的缺陷和经济弱点
不完整的解决方案
正如我们在上面提到的那样，中本聪的 PoW 系统似乎是一石四鸟：
- 区块链选择（分叉选择规则），
- 加密币分配，
- 谁生产区块，和
- 区块生产时点。
PoS 似乎只是提供了的区块链选择的解决方案，而没有就其他问题提出有效方案。
一种“不公平”的经济模式
对 PoS 系统最常见的批评之一是它按现有持币比例分配新资金。因此，与它的代替品–更为公平的 PoW 相比“富人变得更富了”，并且导致少数富有的用户拥有更高比例的财富。如果一开始就投资于 PoS 系统，您可以保持您的财富份额，然而在 PoW 系统中，您的财富将被稀释，因为新的奖励将分配给矿工。事实上，如果奖励按现有持币比例分配，人们可以辩论它其实不算是通货膨胀，这种情况下的奖励制度在经济层面上相当于为货币尾数加多了个零而已。因此，人们甚至可以声称奖励制度毫无意义，本质上根本没有任何奖励。然而，这只适用于当所有用户及资金都纳入了 PoS 系统的情况下，而实际上有些用户会希望将新资金用于其他目的。
资金损失的风险
另一个问题是，权益证明需要连接到互联网的系统上并递交签名信息。因此，持币人需要有一个“热钱包”，这会增加资金遭受黑客盗窃的风险。虽然有可能通过让私人密钥只在短时间内持有权益来减轻这一不利影响，然后将余额返还给所有者。尽管如果有一个削减规则（惩罚就两个相互冲突的链条都进行投票的行为），即便使用了这种缓解策略，黑客还是可以透过其他行为来破坏资金安全性。另一个潜在的缓解策略可能是创建专用硬件来实行权益证明。
PoS 的技术和收集的弱点
免权益证明（“免费午餐”）
共识问题的核心是时间和交易顺序。如果两个区块同时生成， PoW 通过随机的过程解决问题，无论哪个区块建立在第一个区块之上都可以带头，然后激励矿工们在多区块的工作链上工作。 PoW 需要能源，在现实世界中这是一种有限资源，因此矿工必须决定将该资源分配到哪个区块链上。
相反， PoS 系统中的这个过程并不清晰。如果同时生成两个区块，则每个冲突块都可以建立权益。最终，一个区块可能比另一个区块拥有更多的权益，这可能使其成为赢家。这里的问题是，如果允许持币人改变主意而支持赢家，这样系统就会集中在同一条区块链上，那他们为什么不将权益分布在多条区块链上？
然而，所有的权益都只是区块链上的资源，与现实世界没有联系，因此可以在两个相互冲突的区块链上投放相同的权益。这就是所谓的“免费午餐”问题，我们认为这是 PoS 面临的最重要的问题。
“免费午餐” 问题
| “免费午餐” 问题 | 权益不会增加系统的收集性，因为相同的权益可以应用到多个竞争链中，这是一种无风险的方式，可以增加他们的奖励。相反，在基于 PoW 的系统中，消耗的能源是真实的世界有限资源，因此 “相同” 的工作不能应用于多个竞争链。 |
| 辩护论点一 | 这个问题可以避免或减轻。该协议可以进行调整，若一个冒名者在多条链上投放相同的权益，第三方可以提交该证明给任一条区块链，从而实行惩罚，例如没收权益（削减条件）。或者，与其惩罚它，还可以使作弊者失去潜在的回报，或将其排除在权益池之外。 |
| PoS 怀疑论者的回应 | 上述辩护是不恰当的，并可能将惩罚本身合法及必要的行为。例如，如果一个持币人首先接收到一个区块，而大多数人首先接收到另一个区块，那么该持币人可能会改变主意并转而遵从大多数。事实上，容许改变主意和投靠大多数确保网络趋同的过程是共识系统的要点。如果这种行为受到惩罚，系统如何整合？
要么惩罚的经济价值高于切换跟随多数的奖励，要么低于。因此，免费午餐的问题意味着 PoS 系统永远无法对系统整合作出贡献，因此这个想法从根本上是有缺陷的。
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| 辩护论点二 | 上述明显的困境可以通过以下几个方法解决，比如：
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| PoS 怀疑论者的回应 | 通过添加多轮投注机制，大大增加了系统的复杂性。这只是增加了一些混乱的层面来掩盖免费午餐的问题，而没有解决根本问题。 |
| 辩护论点三 | 没有一个系统是完美的，实际上建立一个完美的系统在数学上是不可能的，因此免费午餐的问题无法得到完美解决，然而上述措施的确可以缓解该问题，因此这些理论性问题不太适用于现实世界。 |
远程攻击共识问题
PoS 的另一个潜在问题是所谓的 “远程攻击” 问题。例如，攻击者可以购买一个过去拥有大量加密币的私钥，然后根据这一点生成另一个历史记录，从而根据 PoS 验证向自己颁发越来越多的奖励。由于攻击者获得了大量的奖励，他可以生成比现有区块链更高的权益链，并且可以重组过往这么多年区块链。
这个问题的解决方案是检查点（checkpoint），即一旦达到某个特定的关联阈值就锁定在某个链状态的过程，使其永远不会重组。批评者认为，该解决方案需要随时保持其节点上网，因为脱机节点不能检查点。有人声称，如果一个人离线，安全模式将退为 “询问友人”，因为人们依赖于查询他人的检查点。尽管过去比特币的模式包含了检查点，但其目的是加速初始同步，尽管这种影响可能会导致 “询问友人” 安全模型开启。
然而，我们认为这取决于系统更看重什么了。如果最终希望每个用户都充分验证系统的所有规则和状态，那么只依靠这些检查点是不够的。事实上，中本聪的最初愿景似乎暗示希望节点被关闭再接入网络时，依然可以验证其消失时系统发生了什么是很重要的：
节点可以随意离开并重新加入网络，接入工作证明链来验证它们离开网络后发生的事情
资料来源：比特币白皮书
尽管生态系统在不断扩大，但许多企业和交易所都 24 小时不间断的运行着，因此必须始终保持节点运行，且可以执行检查点设置。有大量的激励措施阻止它们进行大规模的链上重组。对许多人来说，这有足够的安全性，因此远距离攻击问题带来的风险是不相关的或者只处于理论层面的。
权益磨削
在一个纯 PoS 的系统中，权益人也需要生产区块。这些系统通常通过从池子中选择一系列授权区块生产者来开展工作，其中概率与权益持有成正比。这里的问题是共识系统内部需要随机性。如果区块本身用于生成熵，那么权益人可以尝试操控区块中的内容将未来的区块分配给他们自己。然后，权益人可能需要越来越多的计算能力来尝试越来越多的替代区块，直到他们被分配到未来的区块。这基本上又变回了 PoW 系统。
在我们看来，与“免费午餐问题”相比，权益磨削问题对于 PoS 来说不是一个根本性的问题。解决这个问题所需要的只是网络中熵的来源，或像以太坊这样的任何人都可以参与的智能合约 – RanDao 就可以解决这个问题。
案例研究 – Peercoin 和以太坊的 Casper
1 – Peercoin – 2012 年
概述
Peercoin 是一个PoW 和 PoS 系统的混合体，建立在加密币年龄的理念之上。分叉选择规则是选择那条加密币年龄最大的区块链。
加密币年龄被简单定义为加密币数量与持有周期的积。在一个简单易懂的例子中，如果鲍勃从爱丽丝那儿收到了 10 个加密币并有了 90 天，那我们可以说鲍伯的加密币年龄已经累积到了 900 个加密币日。
资料来源： Peercoin 白皮书
在 Peercoin 中，一些区块是纯使用 PoW 而生产的，而另一些区块的 PoW 的难度根据矿工在交易中摧毁的加密币年龄（基于 coinstake 而不是基于 coinbase 的交易）进行调整。“例如，如果鲍勃有一个钱包输出积累了 100 个加密币年的年龄，并预计它在 2 天内产生一个[ PoS 区块]，那么爱丽丝可以大致预计她 200 个加密币年的钱包可以在 1 天内产出一个[ PoS 区块]。
分析
| 弱点 | 概要 |
| 免费午餐 | 该协议的目的是通过忽略第二个相互冲突的链条来防止矿工在多个连锁链条进行 coinstake 交易时使用相同的加密币。然而，这是不够的，并且如果它们以不同的顺序接收冲突区块，则会导致节点分叉。 |
| 区块生产 | 通过使用 PoW 生成区块来解决 |
| 远程攻击 | 这是 Peercoin 的一个重要漏洞，攻击者可以通过不支出加密币来增加加密币的年龄，然后发起重组攻击。
这是通过中央系统每天广播数次检查点来解决的。因此 Peercoin 是一个集中系统。 |
| 权益磨削 | 这可能不是个问题，因为从验证者池中没有选择的问题，因为始终需要 PoW 系统并且加密币权益改变了 PoW 的目标。 |
结论
就当时来说 Peercoin 是一个有趣且新颖方法，但是该提案产生了一个中心化的系统，无法匹配 PoW 的属性。
2 – 以太坊 – Caper 全 PoS 系统 – 2015 年
概述
这是一个完整的 PoS 建议，基于“通过赌注达成共识”的美学。
- 区块由区块生产者池里产生，随机数生成器用于选择轮到哪个生产者生产区块，然后给生产者一个时间窗，在该时间段内他们可以生成有效区块。
- 有一组绑定的验证人，投注人必须先被绑定才能投注区块。
- 然后验证人可以对区块进行投注，每次投注会有一个概率提供，代表潜在回报。
- 在几轮下注之后，随着概率接近 1 或 99％ ，该区块就被认为是最终的。
资料来源：以太坊博客
投注策略
根据以太坊博客，默认情况下应该使用以下策略进行投注：
- 如果该区块尚未产出，但当前时间非常接近该区块应该发布的时间，请下注 0.5 。
- 如果该区块尚未产出，但自该区块应该发布以来已经过了很长时间，则下注 0.3 。
- 如果该区块存在，并且按时产出，则押注 0.7 。
- 如果该区块存在，但它产出的时间或者太早或太迟，下注 0.3 。
- 为了帮助防止 “卡住” 情况，应增加一些随机性，但基本原则保持不变。
默认的博弈策略有一个公式（如下所示），以便将概率推离 0.5 ，这样链将向前移动，使得预期概率更接近零或一。
设 e（x） 是使 x 更“极端”的函数。即，将值从 0.5 推到 1 。一个简单的例子是如果 x> 0.5 ，则分段函数 e（x）= 0.5 + x / 2 否则 x / 2
如果验证人在概率为 99％ 时下注，则回报非常小（ 1％ 用作计算回报的度量），相反，在 50% 的概率投注获胜后代表 100％ 的回报，这会从奖励池中获得更高的回报。
分叉选择规则就是所有加权概率的总和超过了一定的阈值，比如 0.99 。例如，一个 5 个区块的链条，每个区块显示 5 分的概率均为 1 。任何在 0.99 阈值之后改变主意并将权益投放在多个链条上的验证人可能会被惩罚（削减）。而若在阈值前改变主意将不会被惩罚。
分析
我们认为，这个提案非常复杂，而其复杂性是最主要的缺点。
| 弱点 | 概要 |
| 免费午餐 | 该协议旨在通过惩罚机制来防止矿工在多条链上使用相同的加密币下注，一旦被发现，验证人将失去其存款。我们认为，这可能会损害系统的收集性，尽管下注程式可能会将概率降到 0.5 以下，进而助于缓解问题。 |
| 区块生产 | RanDAO 合同可以用来提供熵来选择区块生产者。然而，这只能提供一个时间窗口，在这个时间窗口中可以生产区块，但对于该区块是否是在时间窗口内生产是没有共识的，在此之后，投注过程应该能够解决该争议。 |
| 远程攻击 | 一旦达到某个概率阈值，节点便会检查点区块。远程攻击问题在节点关闭期间仍然可能发生。 |
| 权益磨削 | RanDAO 合同可能可以解决权益磨削问题。 |
结论
以太坊未采纳该提案。我们认为该提案从未完成，因为该系统的一些参数和方面缺乏规范。尽管通过权益达成共识很有趣，但它似乎太复杂，而且存在太多的不确定性。这种方法说明了在构建完整的 PoS 系统时将遇到的困难，以及在试图解决其缺陷时，它会导致问题越来越复杂，直到系统变得不可行。
3 – 以太坊 – Casper 最新版本 – PoW / PoS 混合系统 – 2018 年
概述
与早期所提出的一些 PoS 系统相比，目前的 Casper 提案反映了哲学上和技术上的变化。它回到了 20 世纪 80 年代 Lamport 的学术工作以及 Lamport 的定理：当且仅当系统中三分之二的代理人诚实时，才能使这些系统有效工作。因此，目前的 Casper 版本比以前更加雄心勃勃。 PoS 不再用于生产区块或决定区块的时间，这些仍然由 PoW 矿工完成。 PoS 系统将作为检查点。在我们看来，这个建议优于早期相对复杂的 Casper系统。
该系统的工作原理如下：
- PoS 系统仅在每 100 个区块间才会启用，作为检查点提供 PoW 系统额外的保证。
- PoS 系统的参与者将他们的以太币发送到 “验证者池” ，并且每隔 100 个区块将其权益放在一个区块之后。如果池中三分之二的资金支持提案，则该区块将被视为最终提案，若有争议，此提案将优先于 PoW 。
- 验证人投票仅在最后一个检查点区块之后12 个确认内有效。
- 如果没有达到三分之二的门槛，该链条将继续完全基于 PoW 系统操作。
- 如果有任何权益者作出违规行为，第三方可以提交以下的证明，若该证明属实，骗子们将失去全部权益/存款，同时第三方可以得到 4% 的回报作为激励：
- 在同一高度上为多重矛盾区块投票
- 在不同高度上为多重矛盾区块投票，但使用矛盾参照区块，除非新的参照区块有更多的高度。
以太坊奖励结构将进行调整，以便 PoS 验证人得到除了 PoW 矿工之外另一部分支付费用。据我们所知，这个新分配的细节尚未确定。
分析
我们认为， Casper 的最新版本与早期版本相比有了显着的改进，主要原因是复杂度较低且对 PoW 系统更加依赖。
理论上，新提案只有三个实际问题：
- 当超过三分之一的权益人拒绝参与 – 在这种情况下，我们回到了 PoW 的系统
- 当权益人在定案后会改变他们的想法，以至于三分之二以上的权益人支持了替代链 – 远距离攻击问题
- 当三分之二多数的权益人支持比当前领先的 PoW 链短的链，这是导致重组的一种新方式。我们认为这是该提案的最大缺点。
这个系统背后假设的核心是它的 PoW 推动了链的发展，并且 PoS 系统只是在 PoW 矿工已经锁定了一个链条的情况下才会启动， PoS 投票在 12 名矿工确认之前甚至是不生效的。事实上，如果三分之二的多数支持无法实现，那么这条链会继续保持原来的状态。
因此，我们得出这样的结论，即最新的 Casper 提案的核心特征是 PoW 系统先行，只有其后，若出现PoW 矿工恶意破坏行为， PoS 系统可以为链条重组提供额外保证。因此， PoW 仍然提供系统收集性， PoS 机制可以抵御矿工重组威胁。因此，尽管 PoS 提供了这种安全性，但正如上面第三点所指出的那样，它也提供了额外的风险，因此我们不清楚整体好处是否大于坏处。
| 弱点 | 概要 |
| 免费午餐 | 验证人若同时投票支持相互冲突的检查点区块, 他们可能会失去他们的权益。收集问题通过 PoW 挖掘来解决。 |
| 区块生产 | PoW 矿工生产区块，因此不存在与选择区块生产者相关的问题。 |
| 远程攻击 | 一旦验证者池中的三分之二的权益投票通过区块，节点最终将确定该区块并且不能重组。但远程攻击问题在节点关闭期间仍然存在。 |
| 权益磨削 | PoW 矿工生产区块，因此不存在权益磨削问题。 |
其他潜在的未解决问题
在硬分叉和链条分裂的情况下，如果新的链条改变了验证人检查点的投票的格式，那么三分之二的验证人可以在原始链上进行破坏性的重新组织，同时由于使用新的投票格式而避免收到惩罚（削减）。因此，验证人可以摧毁原始链条，同时仍然继续推进他们所选择的新的链条。因此，该系统被关闭的防御性相对较弱一些。
BitMEX 研究团队独家采访 Vitalik Buterin 关于最新的 Casper 提案
问题 1 – 即使 PoS 系统可以提供比以前更多的保证，在达到 34％ 的投票门槛之前，重组风险可能会更高，因为重组可能通过 PoS ， PoW 或以更多方式发生。您担心这个潜在问题吗？
我并不担心。有充足的理由相信它不应该对系统的稳定性产生负面影响。未锁定链条的评分规则是 “最终确定时期 + 总难度 * ε” 。这里有一篇论文指出，任何“单一”链条评分规则都是纳什均衡;我们的评分规则显然是单调的，所以它是纳什均衡。矿工和验证人都使用链条评分规则，所以矿工和验证人都会自然地帮助链条增长，而不是试图重组。 Casper FFG 以这种方式进行了设计，以 “基于链条” 的共识以及 BFT 理论使得系统 “跑的舒服” 。
可能使 “重组风险更高” 的情况是：
- 当大多数验证人比大多数矿工更不诚实
- 如果 Casper 特定的代码有错误
我们相信，如果上述任何一点是真的，那么 Casper FFG 的风险会增加。
问题 2 – 您认为用户和交易所会如何反应？交易所是否应该在存入存款之前修改其做法，例如 2 次确认外加得到 34％ 验证人的投票？
如果是我管理的交易所，我会做一些安排，比如要求高达 1 万美元的存款需要等待 12 个确认，及在存款金额更大的情况下要求区块锁定。
问题 3 – 是否会有总体评分指标供交易所使用，一个结合了 PoW 和 PoS 影响的指标？
我想有可能会创建一个。以下是我可以想到的几个不同的确认阶段：
- 交易已被纳入一个区块，这是区块头
- 这是头的第 N 个祖先
- 这是一个检查点 C 的始祖。它是头的祖先。验证人已经开始对 C 进行投票。
- 验证人认证了 C 。
- C 的孩子 – C’ 存在，并且验证人已经开始对 C’ 进行投票来确定C
- C’ 的孩子有超过 1/3 的选票。在这一点上，至少有一个验证人需要实际上被削减，以便将情况恢复，使 C 到达最终状态。
结论
我们认为，这个最新的 PoS 提案是迄今为止最好的。我们认为这可能会被以太坊采纳，并可能为该系统的安全性做出积极的贡献。但是，该系统仍然依赖 PoW 采矿，至少在中期阶段。在 PoS 过程发生之前，系统需要依赖 PoW 首先解决任何拜占庭问题。因此，该系统依靠 PoW 进行区块生产，并确保系统在一条链上收集的特性。虽然 PoS 开采可能会缓解一些风险（敌意的 PoW 开采），但是它是否对系统收集性或安全性做出了净贡献仍不清楚。因此， PoS 的批评者可能会认为，从 PoW 矿工重新分配给权益者的任何奖励都会不必要地削弱系统的收集性和安全性。
尽管我们认为目前的提案具有可操作性，但 “免费午餐的问题” 可能是一个重大挑战。这个新机制是否解决了这个问题，至今仍未有定论。因此，尽管计划将此提案作为一个垫脚石，作为逐步转向全面 PoS 系统的先行计划，但要达到全面 PoS 系统可能比以太坊社区中的某些人认为的更难实现。
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