北京大学《区块链技术与应用》系列课程学习笔记肖震老师[20]以太坊-权益证明

目录

一、为什么要转PoS 1、比特币系统的相关数据

股权证明（Proof of Stake），比特币和以太坊目前都是基于工作量证明。 这种共识机制的一个典型缺点是电力的浪费。 下图1-1为比特币能耗随时间的变化，y轴为TWh（TeraWatt Hours：

), KWh（千瓦时：

，即千瓦时的意思，一千瓦时的电），从图中可以看出，比特币的能源消耗是随着时间的推移而增加的。

图1-1

具体统计如下图所示：

图 1-2

2. 以太坊统计

以太坊的能量消耗也随时间增加，中间有一些波动，如下图1-3所示。

图 1-3

具体数据如下图1-4所示。

图 1-4

从理论上讲，比特币交易比较简单，只有一些简单的转账交易，而以太坊交易可能包括对智能合约的调用，但实际上，以太坊的能耗远低于比特币。 因为比特币出块时间长，比特币平均出块时间为10分钟，以太坊为15s，所以以太坊挖矿时间短，每笔交易的平均能耗小。 当然，以太坊的交易能耗还是远高于信用卡公司。

3. 比特币和以太坊作为一个国家

如果将比特币和以太坊的能源消耗量合并为一个国家，其在该国的排名如下图1-5所示。

图 1-5

二、思考 1、矿工为什么要挖矿？

为了获得区块奖励，为了获得收益。

2、为什么要给矿工这些福利和区块奖励？

为了激励矿工参与区块链的维护。

3、挖矿工具本体如何挖矿？

你需要找到挖矿基金，然后购买挖矿设备比特币最早怎么得到，比如矿机、GPU等，开始挖矿。

4.挖矿收益由什么决定？

取决于投入的资金。 收益由挖矿量决定，挖矿量由算力决定，算力由矿机决定，矿机由投资资金决定。 既然归根结底是为了钱而战，那么拿出钱来比较一下就够了。 矿工使用具有竞争力的算力来决定如何分配挖矿收益。 能不能改成直接靠钱的多少来确定收入？ 投资区块链开发，根据每个人投入的金额决定收益分配。 这是权益证明的一个基本思路。 这种方法也称为虚拟挖矿。

三、权益证明 一、权益证明的特点

对于使用权益证明的加密货币，一般在正式发布之前，会保留一部分货币给开发者，同时也会出售一部分货币以换取开发加密货币所需的资金。 根据Proof of Stake的共识机制，大家是根据持币量进行投票的。

2.权益证明相对于工作证明的优势

(1) 省去采矿过程，避免由此产生的能源消耗和对环境的影响，减少温室气体排放。

(2) 发起攻击的资源只能从加密货币系统内部获取。

基于工作量证明的共识体系 从某种意义上说，维护区块链安全的资源并不是一个闭环。 区块链通过挖矿得到保护。 可以用美元购买矿机，然后参与挖矿。 资源可以从系统外部获得的加密货币中获取。 尽管近年来加密货币的市值增长了很多，但与世界经济总量相比仍然微不足道。 因此，如果一个组织想要发起恶意攻击，只需要用足够的资金购买挖矿设备，然后聚集一半以上的加密货币总算力即可。 外部资源可以转化为挖矿算力，转化为攻击这种加密货币的能力。 对于像比特币这样的主流加密货币来说，抗攻击的能力是比较强的，因为系统的总算力还是比较大的。 如果是这些刚刚发行的小币种，这样的攻击可能是致命的。 性的。 如果这个小币种刚发行没多久就遇到这种攻击，很有可能币价暴跌甚至归零。 对于开发者和早期矿工来说，所遭受的损失可能是灾难性的。 AltCoin infanticide, AltCoin: Small Coin, Infant: Baby, Infanticide: Killed in the Cradle。 在这个加密货币成长之前，先杀死它。

权益证明类似于一个股份公司，按照每个人所持的股份进行表决。 权益证明是根据你持有币种的多少来投票的，所以如果有人要发起恶意攻击，比如51%攻击，你首先要获得币种流通量的一半以上，这就意味着发动攻击的资源只能从加密货币系统内部获得，这就是为什么它被称为闭环。 购买足够多的币发起攻击，一旦有人大量购买加密货币，价格就会大幅上涨，有点类似于股份公司遭到恶意收购，所以工作量证明系统维护了安全的资源。 不是闭环，权益证明是闭环。

3. 权益证明和工作量证明的混合模型

股权证明和工作证明并不相互排斥。 一些加密货币使用混合模型。 它们仍然需要被开采，但是开采的难度与您拥有的权益和持有的硬币数量有关。 也就是说，你持有的币越多，挖矿难度就越低。 根据您持有的币种权益的减少情况调整您的挖矿难度。 当然，这实际上存在一定的问题。 在这种情况下，系统中持币最多的人每次都是最容易挖到的。 因此，有些加密货币要求您投资的币种会被锁定一段时间，不能重复使用。 这种情况称为存款证明。

4.权益证明

如下图3-1所示，我们之前了解到有分叉。 按照前面的情况，我们要么按照上链挖，要么按照下链挖。 一般我们是沿着上链挖的，因为它是最长的合法链，但是下面的链也有可能成为最长的合法链，但是一般不会两边挖，因为这样算力是分散的，并且挖矿概率很小。

图 3-1

如果你使用股权证明，你可以在双方都下注。 如果上链成为最长的合法链，下链锁定的币将没有任何作用。 下区块投入的币只记录在下分叉上，不会影响您对上分叉的使用。 这种情况叫做nothing at stake，这是早期基于权益证明遇到的问题。

5. 以太坊将采用的权益证明协议

（一）过渡阶段

以太坊将采用的 Proof-of-Stake 协议称为 Casper the Friendly Finality Gadget (FFG)，它在过渡阶段与 Proof-of-Work 混合，为 Proof-of-Work 提供 Finality。 Finality 是一种最终状态，包含在 Finality 中的交易不会被取消。 纯粹基于工作证明的交易可能会被回滚。 比特币规定要等待六个确认块，也就是说等到六个确认块之后，回滚的可能性已经很小了，但是有一个恶意的攻击者从前面开始分叉。 只要他的算力强到占到一半以上的算力，还是有可能让这条分叉链比原链更强大的。 长期以来，如此纯粹基于挖矿是缺乏这种最终性的。

(2) Casper协议

引入了一个称为 Validator 的概念。 要成为验证者，必须投入一定数量的以太币作为保证金，并锁定在系统中。 Validator 的作用是推动系统达成共识，投票决定哪条链是最长的合法链，投票的权益由保证金的大小决定。 具体方法类似于数据库中的Two-phase commit。

混的时候，还是有人挖的。 每挖出100个区块即为一个epoch，然后决定是否能成为Finality。 需要进行一些投票。 第一轮投票是 Prepare Message，第二轮是 Commit Message。 ，Casper规定每一轮投票必须得到2/3的验证者通过（按押金数额计算）。 在实际系统中，不再区分这两种消息，将epoch从原来的100个区块减少到50个区块，这样每50个区块就是一个epoch，每个epoch只用一轮投票就可以了。 这一轮投票是前一个 epoch 的 Commit Message，下一个 epoch 的 Prepare Message。 需要连续两轮投票。 只有两个epoch都获得2/3以上的多数才能认为有效，如下图3-2所示。

图 3-2

验证者参与有什么好处？

如果验证者尽到自己的职责，就可以获得相应的奖励，就像矿工挖矿可以获得区块奖励一样，所以验证者做这项工作也可以获得这个奖励。 但是，如果发现验证者有不良行为，则会受到相应的惩罚。 例如，如果一个验证者不做行政，该投票时不投票，导致系统无法达成共识，在这种情况下，他将被扣分。 保证金的一部分。 如果验证者行为不分青红皂白（随机投票），则为两个冲突的分叉投票，并在双方下注。 如果发现这种情况，将没收所有存款。 减少系统中以太币的总供应量。 每个验证者都有一定的任期（即使交了押金，也不能永远做验证者），任期届满后，会有一定的等待期。 等待期是其他验证者报告验证者是否有任何不良行为将受到惩罚。 如果过了等待期没有问题，验证者就可以拿回原来的押金比特币最早怎么得到，获得奖励。

6.思考

(1) Casper协议可以在挖矿后对区块链的某个状态做一个checkpoint，做一个checkpoint。 这个检查站绝对安全吗？ 通过这次验证者投票达成的 Finality 是否有可能被推翻？

包含在 Finality 中的交易不会被推翻。 这是绝对的吗？ 假设一个恶意组织想要发起攻击。 如果这个组织只是一个矿工，他没有办法推翻已经达成的最终性，因为最终性是由验证者投票决定的。 纯粹是一个恶意矿工，不管他的算力有多强大，没有验证者作为帮凶，是不可能推翻它的。

成功的攻击：有大量的验证者在对冲他们的赌注。 Casper 协议需要在每一轮投票中有 2/3 的验证者支持才能通过。 在这种情况下，至少有 1/3 的验证者投票支持双方。 一旦被发现，1/3 的验证者的保证金将被没收，因此我们可以看到基于权益证明的共识机制与基于工作量证明的共识机制有很大的不同。

(2) 以太坊将逐步从工作量证明过渡到权益证明。 随着时间的推移，挖矿的奖励越来越少，权益证明的奖励越来越多，最后达到完全不挖矿的境界。 为什么以太坊一开始不使用权益证明？

因为权益证明还不够成熟，工作量证明相对成熟，已经通过了时间的考验。 比特币和以太坊的挖矿算法都经过了 Bug Bounty 的测试，没有人发现任何漏洞。 许多人认为权益证明是未来的方向，但目前主流的加密货币仍然使用工作量证明。 有一种加密货币叫EOS，俗称柚子，曾经受到很多人的青睐。 它使用权益证明，完全不需要挖矿，但它没有使用Casper协议，而是使用DPOS（Delegated Proof of Stake）。 协议：先用投票的方式选出一个超级节点，然后用这个超级节点产生区块。

（三）关于“挖矿耗电大”这一点，有人有不同看法

他们认为，它所消耗的电力比例并不大，对环境的影响有限。 采矿的一个好处是它提供了一种将电力转换为货币的方法。 然而，电本身是难以传输和储存的。 比特币矿场建在电力丰富的地方，所以有人认为挖矿耗电不是坏事。 可以有效化解过剩产能，带动地方经济发展。 提供将电力转移到加密货币的想法。