深度 | 刨根問底，PoS 真的比 PoW 好嗎？
本文作者 stakingrewards.com，由 Cobo 原創編譯
本文共 7268 字，預計閱讀時間 18 分鐘
為了深入理解 Staking 和 PoS（權益證明），本文中我們將把它與當前最主流的共識機制——PoW（工作量證明）進行比較。
目前大多數公鏈採用的都是 PoW ，但隨著 PoS 日益受到關注，可以預期在不久的將來，PoS 的比例將會超過 PoW。
現在幾乎所有新推出的公鏈都是基於 PoS，甚至連第二大公鏈以太坊也將在下一次重大升級中轉向 PoS。這是為什麼呢？PoS 真的比 PoW 好嗎？
PoS 的確在一些方面優於 PoW，在下文中我們將從幾個維度對二者進行比較分析。
一、PoS 的定義
首先，讓我們來解釋一下基本概念。
| PoW 和 PoS 是兩種不同的演算法，它們決定分散式網路中的共識，以及如何獎勵共識維護者。
換句話說，PoW 和 PoS 闡述瞭如何發行新幣為網路提供激勵，獎勵那些提供資源的共識維護者。這些幣的價值背後都有資源支撐（礦機、ASIC 晶片或者一定數量的幣等），而且拿到獎勵的前提是你必須付出誠實的行動。不管是BTC、ETH，還是XTZ，皆是如此。
你也許會說：在網路中提供或鎖定某些資源，同時承擔一定風險，這聽起來很像 Staking 。沒錯，的確是這樣！
PoW 其實可以用 PoS 的邏輯來理解，花錢買礦機裝置和電力就相當於 Staking 的一種形式。我們可以進一步總結為，Staking 是一種傳統的經濟形式——投入資本以獲取回報。
儘管這樣理解在某些情況下也不算錯，但我們還是回到二者的定義和它們的核心區別上來。
PoW 網路的安全性來自於雜湊算力，理論上算力越大收益越高，具體可參考比特幣的礦工和礦池。
PoS 的安全性來自於抵押經濟的價值，理論上 Staking 的數量越高收益越高。（之所以說“理論上"，是因為 Validator 的選擇是隨機的，這樣可以避免過於中心化。）
儘管每個共識協議都不盡相同，但仍有一些基本原則可供我們來比較。
接下來，我們將通過發展趨勢、可擴充套件性、網路安全、去中心化、成本、治理、社群參與、冷啟動、環保多方面對 PoW 和 PoS 進行比較。
二、發展趨勢
儘管 PoS 比 PoW 的歷史短，在整體市場中份額也小，但它正在飛速地發展。
實際上，按市值計算的前三十名加密貨幣中有十三個已經使用了 PoS 或類 PoS，包括 EOS、Stellar、Tron、Dash、Neo、Binance Chain、Ontology、Tezos、NEM、VeChain、Waves、Qtum、Decred、Lisk，另外還有三個（ETH、Cardano 和 OmiseGO）正在轉向 PoS。
這也意味著市場前三十的幣種中有超過一半在使用 PoS。另外，幾乎所有的第 二層解決方案都在使用 Staking 機制。甚至連比特幣的閃電網路也可以被認為是 PoS 的某種形式：一些中繼節點把比特幣 stake 起來，幫助使用者通過通道進行交易，並從中賺取一些手續費。
- 總 Staking 市值：> 160 億美元
- Staking 中鎖定的總價值：> 50 億美元。
- PoS 市值佔比：9.80％
- 除 BTC 和 ETH 外，PoS 市值佔比：26.6％
（來源：Stakingrewards.com 29.04.2019）
這些數字還在持續增長，而且許多人預計 PoS 鏈的總價值將在今年年底達到 500 億美金。隨著 Binance Chain、Cosmos 和 Polkadot 將各種專案轉移到 PoS 區塊鏈協議，以及 ETH 2.0的推出，PoS 鏈的總價值可能會超過這一規模。
權益證明（PoS）似乎正慢慢佔據整個市場。
三、可擴充套件性
談及可擴充套件性時，必須要考慮到交易吞吐量和交易確認時間。
交易吞吐量：出塊時間和區塊大小限制了網路的交易吞吐量。採用 PoW 機制的比特幣出塊時間大概是十分鐘，其它幣種短一些，以太坊可以減少到十五秒，交易吞吐量也會隨著出塊時間的減少相應略有增加。
在 PoS 共識維護者（比如 Validator、區塊生產者）的共同努力下，由於出塊時間短了很多，交易吞吐量平均要比 PoW 高出很多。
舉個例子，Tezos 已經能實現每秒 40 筆交易（40 TPS）。DPoS（委託權益證明）中的EOS、TRON甚至已經可以處理超過 1000 TPS 的交易。
（來源：https：//blocktivity.info/ ）
交易確認時間：交易確認時間也是區塊鏈可擴充套件性一個重要的衡量因素，尤其是在商業環境中。在 PoS 共識機制中，交易速度更快，甚至在某些場景下的幾乎能實時確認。
四、網路安全
眾所周知，早在 2009 年比特幣作為 PoW 的先驅就已啟動，並穩定運行了十多年，後來的很多其它數字貨幣也都採用了 PoW 共識機制。十年來，PoW 已成為一個公鏈設計模版，歷經多次攻擊，可靠性和安全性久經考驗。
短期內 PoW 可能受到挖礦壟斷的威脅，通過購買外部裝置提升算力，發起 51% 攻擊。但對於比特幣來說，購買雜湊算力來實現此類攻擊幾乎是不可能的，但對於一些小規模的 PoW 鏈，像 Verge、ETC 則是可行的。
如果要估算對比特幣實施 51% 攻擊的成本，我們首先要考慮硬體和電力成本。
- 總雜湊算力: 50,000,000 TH/s
- 螞蟻礦機 S9 當前價格: $300
- 螞蟻礦機 S9 雜湊算力: 13 TH/s
- 51% 攻擊的硬體成本: $1,153,846,153 USD (約佔網路價值的 1.11%)
PoS 和 Staking 還是新鮮事物，雖然像 PeerCoin、Ardor 這些幣已經存在了很長時間，但是第一個主流 PoS 鏈 Tezos 直到 2018 年夏才上線。
PoS 幣還沒有做過嚴格的壓力測試，所以我們也不知道可能將面臨什麼樣的問題。
以下列舉一部分 PoS 可能面臨的攻擊：
長程攻擊
Long Range Attack
長程攻擊就是攻擊者建立了一條從創世區塊開始的長區塊鏈分支，並試圖替換掉當前的合法主鏈。該分支上可能存有和主鏈不同的交易和區塊，所以這種攻擊又被稱為替換歷史攻擊或歷史覆寫攻擊。
無利害攻擊
Nothing at Stake Attack
PoS 網路還存在無利害攻擊。不像 PoW，PoS 執行多條鏈的成本很低，Validator 可以向多個鏈投票而不會遭受任何損失，這就違反了共識協議。
51% 攻擊
51% Attack
你可能以為發起 51% 攻擊需要持有總幣量的 51%，但是在一些 PoS 網路中，只需要最少 33% 的 stake 資金就能發起這樣一場攻擊。
而且如果能吸收他人投票，攻擊者甚至都不需要用自己的幣去發起攻擊，他們甚至還可以通過購買或賄賂的方式來獲取投票。
還有一點就是，我說的這 33% 不是該 PoS 幣總供給量的 33%，而是 Staking 資金池的 33%。這樣來算的話，發起 51% 攻擊所需要的幣量會更少。
低 Staking 參與率
Low Staking Participation
如上所說，在一些 PoS 網路中，只需要質押活躍在資金池中 33% 的幣量就能發起一場 51% 攻擊。比如，stake 率為 25%，33%* 25%=1/12，即發起一次攻擊只需要該 PoS 幣總供給量的 1/12。
私鑰攻擊
Private Key Attack
私鑰聯網後一旦被獲取，攻擊人就會獲得 Staking 資金的所有權和簽署交易的權利。即使私鑰不直接控制所有 Staking 資金，獲得了私鑰就獲得 Validation 和 Staking 的權力，方便發起攻擊。
所以說，PoS 網路中一個很大的安全風險存在於把網路價值（stake）轉移到 Validator 的過程中，這期間可能導致的高度中心化和網路攻擊。只要擁有大量資源，就可能通過購買選票或 Validator 的壟斷組織來發起一場攻擊。
LISK 就在發生類似的情況，Validator 成立了幾個組織來操控激勵份額。EOS 的 Validator 還制定了 EOS 憲法，規定投票者不能獲得任何的獎勵。
大家請留意以上提及的幾種攻擊，部分 PoS 在設計之初可能針對這些攻擊有所預防，但目前 PoS 仍然沒有經歷過實際的壓力測試。
像 DCR、DASH 這樣的混合共識機制也已經開始出現，出於安全考慮，它在挖礦中使用比特幣作為母鏈，同時又有著類似 EOS 的 DPoS 共識演算法。這樣的混合共識機制也值得探索。
五、去中心化
PoW
PoW 挖礦依賴機器裝置，這些裝置有較高的門檻，並且技術被少數公司壟斷。
挖礦也是一項艱鉅的工程，因為購買 ASIC 晶片屬於長期投資，不像 PoS 資金那樣具有流動性。
而且現在挖礦的利潤又很低，只有那些擁有硬體技術和廉價電力的大型企業才能有利可圖。
PoS
與 PoW 不同，PoS 共識機制的核心是網路中的幣，這些幣可以在交易所甚至 OTC 市場大量購買，不需要通過挖礦獲取，所以參與 Staking 幾乎沒有門檻。在 PoS 共識機制中，超級節點可以通過執行和維護網路獲得獎勵，所以執行節點的動機是很高的。
雖然不是所有人都願意或有能力去執行節點，但是 Staking 機制對於去中心化是很重要的，因為 PoS 允許所有持幣人在沒有執行節點的情況下投票並參與共識。
不過你會不會認為在 PoS 共識機制下富者恆富呢？和 PoW 相比，其實不然。在 PoW 共識機制中，“富者恆富”的法則更明顯，有錢的礦工可以買很多 ASIC 礦機，他們有資源優勢並享受高回報。PoW 的大礦工享受規模經濟下的回報；但對於 PoS Staker 而言，只有線性收益。
（來源：3IQ研究組）
六、成本
討論成本，我們得從三個方面來考慮：
- 鏈上交易成本
- 維護區塊鏈所需要的資金成本
- 補償 Validator 或礦工所需要的通脹成本
鏈上交易成本
在公鏈上儲存資料是極其昂貴的，每個位元組都需要傳送到區塊鏈網路裡的每個節點，並被這些節點儲存。
在 PoW 共識裡，比特幣交易的成本大約為 1.91 美元每筆，以太坊的交易成本約為 0.1 美元每筆，交易成本會隨著幣價的漲跌變動。牛市高點的某些時候，比特幣和以太坊交易費用分別可高達 54.9 美元和 5.5 美元。
在 PoS 共識裡，交易費用就低很多。拿 Tezos 舉例，每筆交易費用只有 0.01 美元左右，其它像 Cosmos 的 PoS 幣也差不多。
現在，我們再來看看維護區塊鏈所需要的成本。
維護一個區塊鏈所需要的成本
PoW 需要高昂的硬體和電力成本，而在 PoS 裡，成為一個 Validator 就只需要一臺安全&良好執行的裝置，和很少的電力成本就可以了。
在比特幣網路裡，每年所需的硬體維護成本大概是 20億 美元（這些硬體的壽命大概是 18 個月），電力成本約為 40億 美元（電力按 0.08 美元每千瓦算）。
這就是說，為了 PoW 網路的正常執行，需要投入網路總價值的 6.5%。而在 PoS 網路裡，維護成本僅佔網路總價值的 0.1%。
通脹成本
在 PoS 網路裡，通脹率約為 6%，而 PoW 網路裡，這一比例約為 4%（只是預估）。
區塊鏈的激勵設計會隨著時間的推進而降低通脹，PoW 比 PoS 存在的時間更久，因此我們可以說二者的通脹水平是差不多的，未來 PoS 的通脹率也會變得越來越低。
在 PoW 網路裡，那些不是礦工的投資者並沒有一個好的抵禦通脹的方法，而在 PoS 網路裡，持幣者卻可以通過幣生幣獲得一定收益。
七、治理
在 PoW 網路裡，協議治理可分成幾方：
- 礦工：決定交易資訊是否被確認以及該挖哪條鏈
- 使用者：決定該接受哪個協議，以及使用哪個生態
- 基金會：決定如何在不同的開發組織間分配資金
- 節點：決定執行哪個軟體並通過 API 向用戶提供服務
在 PoW 網路，很難說到底誰持有最大的投票權，因為 PoW 裡的投票權很難量化。然而，為了維護網路以及管理巨大的資源和網路，在各方之間依然需要有一個共識。PoW 網路中治理的透明度匱乏使得協議的設計和升級程序緩慢。
PoS 治理也是分佈在以上提到的幾個群體，但是治理機制更加系統，我們可以遵守一條簡單的規則—— 1:1 投票。
而且，在 PoS 網路裡，我們可以實施鏈上治理 （實際上，PoW 網路也可以實現，但目前沒有嘗試）。鏈上治理允許我們建立協議或對協議提出改進的建議，還可以在鏈上進行投票。基於鏈上投票的結果，協議可自動執行。目前 Tezos 就是採用的這種鏈上治理機制。
其它治理投票的 PoS 例子還有：
- EOS
- Decred
- Dash
- Cosmos
PoS 治理中清晰透明的投票設計有利於協議變動可以被快速執行。
八、社群參與
PoW 礦工有著傳統的商業思維，他們更願意投資一種自己熟悉的傳統商業模式。對於他們來說，挖礦類似於工廠製造業。挖礦裝置就是生產裝置，技術越高階，效率就越高。廉價的電力對於挖礦業來說是必要的資源，這些商業模式對於市場價格的依賴和傳統工廠依賴鋼鐵價格一個道理。
這其中當然是有風險的：如果數字貨幣價格下跌，挖礦可能會變得無利可圖。但在大多數情況下，市價拋售所有幣也是能賺到錢的。
今天的礦工大多數都是礦機裝置和電力有一定資源的人，他們很少有動力參與到社群中來。如果他們真的相信幣的價值，直接投資即可回報不菲。直接投資比特幣現在的回報已經超過挖礦，我們認為長期這一趨勢不會改變。
相比之下，PoS 裡的 Validator 更像是投資人，他們需要對所持數字貨幣背後的技術有很深的理解，同時對協議的發展作出貢獻。大型PoS 幣種一般都有獨立的研究團隊。
為了獲得更多的投票，這些 Validator 一般需要持有大量的幣。通過 Staking 或者提供 Staking 服務，這些資金會被鎖定一定時間，如果想動用部分資金，那他們可能不能繼續為所有的客戶提供服務。
這樣 Validator 就成為了長期投資者，他們更有動力驅動技術和價值。激勵越高，投入越多。
這就好比早期階段的創業投資，VC 為他們投資的公司提供支援。這一比喻形象地概括了挖礦投資理論，在 Coinfund 使用後廣為傳播。
九、冷啟動
發行一條公鏈最好的辦法是什麼？鑑於代幣在公鏈採用和融資中起到的作用，我們必須考慮到公眾通過什麼方式獲得代幣。
發行一條 PoW 鏈是十分簡單的。最初 PoW 的發行量為 0，每個人通過挖礦獲得平等的參與權。這個過程看起來相對簡單、平等、透明。
為了給持續的協議研究和發展提供支援，還可以像 Zcash 一樣成立一個發展基金， 有一小部分的區塊獎勵直接授予開發者。
PoS 網路的冷啟動（Bootstrapping）要更復雜，從一開始，就需要多方都持有一部分權益，ICO 比例在發行前就被決定了。
最普遍的方法是代幣發行（ICO 也好，IEO 也好，或者其它的形式），原始代幣供應被賣或發給投資者、開發者團隊、基金會、理事會等等。
因為參與原始權益分配的大型投資者准入門檻高、同時也可以拿到豐厚回報，這種代幣發行一般不太公平，對於社群的普通投資者來說有較多的限制。
代幣的授予期通常不透明，而且時常變來變去。這也意味著投資者的權益可能被稀釋了，但仍被矇在鼓裡。
另一種發行代幣的方法是空投，人們不需要直接投資即可收到一定數量的代幣。這種代幣空投通常在接收者不知情的情況下發生，而且數量極其少，相比於總量來說幾乎可以忽略。由於透明度的缺失，這似乎也不是最好的方法。
除此之外，也有其它一些冷啟動方式出現，但依然出於早期階段，現在很難下結論。其中一個是 Cosmos 引入的類似於“跨鏈空投”的概念，它是通過硬分割槽（hard spoon）實現——通過複製一條 PoW 或 PoS 鏈上的數字貨幣帳戶餘額到一條新的 PoS 鏈上，這條鏈上的新數字貨幣具有互用性，並可以拿來做 Staking。
“Hard Spoon：基於一個現有的區塊鏈網路狀態形成一條新鏈；該新鏈不是和原有鏈進行競爭，而是提供了更為廣泛的訪問。” Tendermint 創始人 Jae KwonJae Kwon
十、環保
如果我們看保護一條公鏈的成本，PoW 比 PoS 貴太多了，畢竟裝置和電力成本很高。從這個角度來看，PoW 對環境顯然不友好。
在本文中，我們從幾個維度把 PoW 和 PoS 進行了對比。兩者都不完美，未來不會出現一種共識機制統一天下的情況。
我們強烈地相信，最終至少有一條 PoW 鏈會存在，它很可能是比特幣。 PoW 鏈提供了無可比擬的安全性和不可撤銷性，而且可以作為全球結算層以及真實資料的一個來源。圍繞比特幣，人們寄託了很多願景，同時也存有諸多爭議。
越來越多新的區塊鏈協議開始採用 PoS 的安全模型，而且隨著以太坊逐漸從 PoW 轉移到 PoS，PoS 所佔的比例也將大幅增加。
大多數的第二層解決方案也採用 PoS，帶動 Staking 的話題在區塊鏈的世界裡變得火熱起來。
如果我們來看看像 Cosmos 和 Polkadot 這些互動型和應用型的 PoS 鏈，我們會發現 PoS 甚至會和一些像比特幣、門羅幣、大零幣這樣的 PoW 鏈產生聯絡。這些 PoW 鏈需要擁有自己的分割槽（Zone）、平行鏈（Parachains）和網橋（Bridges）或者與它們進行聯通，間接地成為 Staking 經濟中的一份子。
總結一下，PoS 日漸崛起的原因有：
- 可以賺取 Staking 收益，不被通脹稀釋
- 參與共識的低門檻准入
- 可擴充套件性更強
- 沒有規模經濟效應，更去中心化
- 維護區塊鏈成本更低
- 1:1 投票，治理更透明
- 對共識維護者（比如 Validator）和社群有更高的激勵
- 更環保
值得一提的是，以上提到的幾個優勢是有一定代價和成本的。PoS 目前還沒有像 PoW 那樣可追溯的歷史資料。未來，隨著整體市場的成熟，我們將會看到PoW 和 PoS 的發展軌跡越來越完整，也更便於我們學習。當然不會出現一鏈統天下的狀況，就像不會只存在一種演算法。像 Decred 這種 PoS+PoW 混合體系可能會越來越受歡迎，但這又是另一個話題了。
（本文由 Cobo 原創編譯，文章不代表 Cobo 觀點）