ETH2.0:从PoW迈向PoS的征途

PoW、PoS和女巫攻击

ETH作为当今加密生态的头部公链，其拥有最为繁荣的生态系统和最大的TVL。因此，ETH2.0的升级计划也理所当然的成为当下加密世界最受关注的热点之一。而该次升级计划的核心之一就在于验证机制将由PoW转变为PoS。

根据区块链共识机制中最为核心，也是最为基础的“抗女巫攻击策略”进行分类，区块链共识机制可以分为最为主流的两大分支——工作量证明（Proof of Work，即PoW）和权益证明（Proof of Stake，即PoS）。

我们先简单说明一下什么是女巫攻击：所谓女巫攻击（Sybil Attack），就是指通过伪造多个ID对网络进行干扰的攻击方式。该名称来源于美国著名小说《女巫》。该小说的主角患有多重人格障碍症，一个身体内同时兼容多个人格。

女巫攻击在网络中很常见，淘宝产品中的刷量、刷赞等都是黑客通过伪造大量ID造假完成的。女巫攻击最常见的攻击场景是数据冗余机制，即为了提升网络安全，将数据进行多重备份的机制，而区块链正是使用数据多重备份机制的典型。因此，在分布式数据存储的区块链中从来不乏女巫攻击的身影。

要实现女巫攻击，需要通过一个实体节点伪造出大量的伪装节点，并将这些节点广播到整个区块链网络。当其他正常节点查询信息时经过这些伪装节点，攻击者可以操控伪装节点对查询进行干扰，继而反馈给查询者虚假信息，或者干脆不反馈任何结果。

当一个区块链中的伪装节点数量超过真实节点时，攻击者会凭借投票票数领先的优势击退真实的节点。攻击者还可以通过拒绝接受新区块、返回错误信息等方式拒绝新节点的加入，以达到对区块链的统治。这种情况下，攻击者就拥有了整个区块链的决定权，可以篡改交易记录、更改交易顺序，对区块链造成极大的危害。

区块链的基本原理就是用户将数个交易打包成块，通过哈希引用把单独的区块连接成一条链，从而得到一个共享的账本。但是直接这样使用一个账本的安全性就很难保证，因为坏人同样也可以创造一个账本，然后把两个账本同时摆在用户面前。而哪个是真的哪个是假的，用户应该相信哪一个，就成了一个复杂的权衡问题。

如果在中心化的环境中，这个问题将不再是问题，例如，如果我有一个银行账户，其中余额的多少完全由银行的中央系统所确定。如果账户的实际数额和事实情况不一致，我就可以通过与中心系统协调或者法律途径解决问题。

但在去中心化的世界中，是不存在这个一个一锤定音的中心化机构的。因此，人们就需要通过其他方式达成共识，才能保证账本的公正性。

那么问题来了，在去中心化的环境中，应该怎样达成共识呢？

最经典的办法就是投票。通过大家共同参与投票，就可以选出一个值得信任的账本，然后共同使用该账本。

但是，说到投票，公平公正的问题就无法忽略，例如，投票权要怎么分配就是个不得不考虑的问题。

如果在一次投票活动中某一个体拥有了可以左右全局的票数，那么这场活动就很难再称之为投票。因为这意味着他想做什么，结果就是什么样的，而这对于其他个体显然是不公平的，这种不公平的方式也注定无法获得共识。因此，如果我们真的希望达成某个共识，就要排除这种不公平。所以投票权的分配被视为是共识协议中最为核心的部分之一。

如果发生在线下，投票权分配的问题其实很容易就能得到解决。实行简单的一人一票即可。至于身份验证问题，通过身份证件在投票的时候登记一下就可以解决。

但是如果发生于线上，一人一票的问题就会被无限复杂化。

首先，在线上的环境中，尤其是去中心化的环境中，如何定义“一个人”就是个很大的问题。大家在线上都是以匿名的方式存在，甚至无法判断网络对面到底是一个抠脚大汉还是一条狗。因此，我们就需要一个抗女巫攻击的机制。但到底是将一个账户视为一个人，还是将一个ip视为一个人，抑或是再用别的什么标准去确定？

在区块链中，最常用的两大解决方案就是工作量证明（PoW）和权益证明（PoS），后者包括代理的权益证明（DPoS）。当然除它们之外还有一些其他的证明方式，比如说证明拥有多少空间，或者证明燃烧了多少货币，但是目前最为主流的还是PoW和PoS这两种。

PoW工作量证明

工作量证明（PoW）的基本思想就是通过算力决定出块权。如果你能解出一个PoW计算难题，你就可以获得出块的权力。我们甚至可以粗暴的理解为一个CPU、一个GPU、或一台矿机一票。这种模式的优势在于：

1、整个系统是无许可的。参与者不需要任何人许可，只要有机器有算力就可参与。甚至理论上都不一定需要机器，如果说你可以手动算出一个区块的哈希，并及时将结果上传，别人依旧会承认这是一个合法的区块。

2、PoW投票行为本身成本是比较高的，不论是使用CPU、GPU还是用矿机，机器的成本和电力的成本，都是实打实的真金白银。这就意味着，如果想在PoW的环境下进行女巫攻击将要付出极高的成本，而这往往会让攻击者得不偿失。

3、PoW中所投的票和投票权是保持绑定的。按照工作量证明的一般逻辑，投票的时候需要先打包出一个块，然后再对这个块做工作量证明，如果做出证明就相当于投出去一票，但是这个时候打包的块已经没有办法修改了。而另一方面，如果想要回滚掉自己出的块，必须付出和回滚别人的块时候所需的同等的算力。这意味着一旦投票成功以后，即使是投票者本人也修改不了投票的内容，投票的信誉度得以保障。

当然基于PoW机制的共识算法也存在一些无法规避的缺点。

1、PoW的延迟非常高，因为把交易打包到区块以后，这个区块并不是马上就成为一个有效的候选区块。至少还要完成一个工作量证明这个区块才能称之为候选区块。

于是，从打包好区块到做完区块的工作量证明这一段时间内，交易是不可能被人确认的。所以即便比特币不是等六个块确认，而是看到一个块就确认，确认一笔交易平均也要等十分钟时间。

2、PoW机制另一个被人诟病的缺点就是能耗特别高、不环保。对于这一点，工作量证明的能耗是否必要，我觉得见仁见智，可以持保留意见。虽然它的确存在一些浪费问题，但攻击者的成本也因此被拔高到难以承受的地步，从这个角度来说，似乎也不全是件坏事。

PoS权益证明

权益证明（PoS）基本的思想是：当你持有Token（stake），你就有记账权和投票权。你的投票权和你持币的数量是成正比的。简而言之，Token越多，投票权就越大。

PoS协议的基本框架是按所有的参与者的持币量，去分配打包权和投票权。这也就意味着，参与者的信息是已知的，至于这有什么意义咱们先按下不表，后续再论。

回到打包权和投票权，在PoS的系统里打包和投票两件事是分开的（PoW系统里这两个没有分开）。分配完打包权以后，拿到打包权的人就有资格出一个候选区块。这个区块里包含要处理的交易和打包权人自己的签名。

但是候选区块并不意味着就会被加入共识，在广播候选区块以后还需要由那些有投票权的人去投票（投票的形式就是在被投票的区块上做个签名）。只有在投票后得到相对多数票的支持，候选区块才会最终被加入共识，变成一个有效的区块。当然投票的过程可以用很多方式执行，比较常见的就是可以用一个少数服从多数的共识算法去实现。

这一点跟PoW非常不一样，因为在PoW系统里人们根本不知道全网的算力有多少，只能靠估计，而且一般还估计不准。所以PoW系统里几乎不可能用一个确定的阈值去判断什么是多数。

在PoS系统中，如果检测到有的参与者违反了PoS共识的协议，就可以对他们做出一些惩罚。比如有的人把自己的一票投给很多个块，或者说有票但就是不投，这些会对系统的安全性造成影响的行为都可以惩罚。

接下来，让我们来看一下权益证明的优点有哪些：

1、矿工和持币者的动机是一致的。

PoS的矿工都必须持币，这意味着在PoS的生态里将减少不持币但靠机器来挖矿的角色。在PoW的社区中，经常会出现有钱人、开发者、以及矿工三方的利益不是完全一致的情况，然后就会出现争执，以至于最后很多事情都难以进展。而在PoS中，至少矿工和资本家的利益会更为一致，一定程度上减少了冲突和分歧。

2、PoS的延迟可以做得非常低，确认可以非常快。

在PoS系统里，拿到一个交易就可以马上打包，打包以后就可以广播，这个时间是不需要等待的，不像PoW，必须等至少做一个PoW问题的时间。PoS共识的延迟主要是受限于网络和参与投票的人数。因为投票的人越多，要等的时间也就越久。

3、PoS比较环保，因为它不需要做工作量证明。

在Pos中，投票实际上就是做个签名，最多再做一些简单的运算，比求解PoW难题容易多，自然消耗的算力和电力就大大减少。

但不得不说，PoS的缺点也同优点相对，另外，它也失却PoW系统的一些优点。

1、与无许可的PoW系统相比，PoS的系统在匿名性和许可性上稍微差一些。因为一个人如果要加入一个PoS的系统，首先要持有Token。这个Token是无法通过其他方式获得，只能跟持有Token的人去做交易，且只有在交易成功拿到币后才可以加入系统。不像PoW，只要有一台机器接入系统，就可以直接挖到Token。

2、投票行为本身成本非常低，只需要做个签名就可以生成一个有效的投票。这样的话在安全性上会有一些问题。比如PoS系统常见的无利害攻击问题。

另外，投票权可以复用，可以转让，这也是相当危险的。如果用户把自己的私钥卖给别人，那他以前投出的票或是在历史上每个分支做出的选择，拿到其私钥的人都可以再去重新选择一次。这会在安全性上带来一些问题。

3、我们在前面提到过，在PoS机制中，分配投票权和打包权之前参与者的信息是已知的。因此，投票权的决定时间是早于生成候选区块的。这样一来意味着人们可以选择的策略空间将会更大，整个博弈会变得更复杂。通常来说，策略空间大对于系统的安全性相当不利，因为这会给攻击者留出更大的操作空间。其结果就是在PoS系统中会有更多的攻击方式，比如无利害攻击、长程攻击等。

4、在PoS中矿工和资本家通常是一个人（一个群体），尽管这会减少整个系统的博弈成本。但也意味着整个系统的中心化程度会水涨船高。

PoW和PoS

在区块链中，有一个不可能三角，即安全性、效率和去中心化。通常情况下，这三方面是无法兼得的。而PoW和PoS就是在这三个方面做出了不同的取舍。

PoW以无许可和算力门槛保证了整个系统的安全性和去中心化程度，但在效率方面则不可避免的会有缺失，实际上其也确实长期被延迟高、低吞吐量等问题所困扰。

而PoS则选择了另一条路，它不再无许可，取而代之，矿工成为了生态系统的实际参与人。这意味着如果矿工做出了不利于整个系统的决策，作恶者也会付出代价（代币Token下降）。但其投票机制也降低了整个系统的安全性，同时，矿工和资本的身份合一也让系统出现了中心化的风险。

有人曾经打过一个比方。

在一个典型的PoS共识系统中，大家通过股权质押获取一张门票，然后获得门票的人坐在会议室里指点江山。

而在以比特币为代表的PoW共识系统中，一群人坐在漆黑的荒野里，他们既不知道其他人的身份，也不知道荒野里一共有多少人、其他人何时来何时走，只能通过喊出自己的观点和听清他人的喊声来交流并最终达成共识。

不得不说这个比方相当的形象，PoW和PoS的特点尽显无疑。而实际上两者孰优孰劣是无法比较的，对他们的采用只能体现出两种不同的权衡。

ETH2.0最终决定采取PoS也意味着对目前的ETH来说，效率问题已经相当严峻了，因此可能需要以一定的安全性和去中心化程度作为交换，这是无可厚非的，毕竟当下没有可以兼顾的解决方法。

如果能把PoW和PoS的优势结合起来，就有可能做到一个安全性又高，确认又快，吞吐量大，而且能耗比较合理的系统。

但其技术难度之大，自不必多说。因此，目前我们只能静观其变，期待更好的解决方案横空出世。