工作量证明 (PoW) 与权益证明 (PoS) 共识机制的比较分析

作者：Andrew Sawa

去中心化网络的基本特征之一是没有单一实体拥有多数管理控制权。因此，这意味着分散系统的不同参与者之间需要某种形式的共识机制，以便就网络的当前状态建立统一的协议，因为没有中央确定性实体。因此，区块链共识机制被描述为一个过程，通过该过程，网络的所有节点或对等点能够就分布式账本的当前状态达成共同协议，从而在分布式计算环境中的未知对等点之间建立信任。

共识机制对于增强去中心化网络的安全性至关重要，因为它有助于防止恶意活动，例如双重支出，因此可能会降低网络的完整性。这从根本上说是因为共识机制确保添加到区块链中的每个新块都是有效的，并且已经得到区块链网络中所有节点的普遍同意。从而提高区块链内记录的不变性、安全性和透明度。

在区块链网络中达成共识有多种机制，其中一些包括：工作量证明 (PoW)、权益证明 (PoS)、历史证明 (PoH)、活动证明(PoA)、重要性证明 (PoI)。然而，本研究将特别关注两种主要区块链共识机制的比较分析，即工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）。

工作量证明机制最初于 1993 年引入，作为防止 DDoS 攻击和其他安全漏洞的一种方式，后来在比特币白皮书中重新引入，作为验证交易和在区块链上广播新块的共识机制。

工作量证明（PoW）从根本上涉及解决复杂的密码学问题，从而导致区块奖励。为了维护网络安全，新区块由网络成员（矿工）验证，以解决复杂的数学难题。这些谜题很难防止恶意行为，例如矿工试图验证欺诈交易。

因此，每个经过验证的区块都包含一个代表矿工已完成工作的区块哈希，这就是为什么这种共识机制被称为工作量证明的原因，因为矿工为已完成的工作提供证据，然后在提出新区块之前对其进行验证。

下图提供了 Poof-of-Work 共识机制的图形说明。

目前大多数第一 (1) 层区块链使用的权益证明 (PoS) 共识机制通常被称为工作量证明 (PoW) 的“有效”替代方案。然而，权益证明（PoS）的技术和结构后果与工作量证明有很大不同。

在权益证明 (PoS) 共识机制中，验证者不是投资用于挖矿的硬件 (ASICS) 基础设施，而是通过锁定他们的一些代币作为他们在网络中的股份来投资底层区块链的平台代币。例如，以太坊需要至少 32 个 ETH 才能成为验证者。这背后的基本原理是，在网络中拥有经济利益的参与者将以合规的方式行事并如实处理区块，以保护网络或冒失去其在网络中的利益的风险。

验证者是伪随机选择的，以根据其在网络中的经济利益生成一个新块。如果验证者发现他们认为可以添加到链中的区块，他们将通过对区块下注来验证（验证）区块。这样，所有验证者都会获得与其投注成正比的奖励，并且他们的赌注也会相应增加。

下图提供了权益证明共识机制中涉及的过程的图形说明。

Proof-of-Stake 共识机制还有许多变体或变体，例如委托权益证明 (DPoS)、租赁权益证明 (LPoS)、混合权益证明 (HPoS)、流动性权益证明 (LPoS)这些变体中的一些具有增强的解决方案，以实现资源高效的网络治理模型。

在概述了两种主要共识机制背后的主要过程和概念之后，下一节根据以下标准对两种模型进行了比较分析：

1. 效率/可持续性

2. 权力下放程度

3. 安全和标准

很明显，工作量证明共识机制涉及利用巨大的计算能力和能源消耗，这引发了与其环境可持续性相关的众多争论。大量证据表明，工作量证明模型中涉及的计算资源的使用是一个特征，而不是错误，因为共识需要某种形式的计算（工作）。这就是为什么许多比特币拥护者指责权益证明机制并将其比作一种治理模型而不是共识机制的原因

因此，解决工作量证明采矿的大多数可持续性问题的解决方案是通过使用符合SDG-7的可再生能源基础设施，以按照大多数政府和法规的要求提高环境可持续性，例如旨在管理欧盟 (EU) 内数字资产使用的加密货币市场法 (MICA ) 。

然而，反对工作量证明的另一个论点是，尽管事实证明，与 PoW 共识机制相关的密码学难题或计算往往会保证网络的安全性，但这些计算不能用于除此之外。

另一方面，股权证明网络共识不需要物理基础设施或复杂的计算，也不会留下对环境不可持续的能源足迹。即使质押 ETH 的验证计算机被破坏，质押的 ETH 也可以在世界任何地方使用相关的私钥恢复和重新部署。因此，这增强了权益证明模型的效率和可持续性。相比之下，维护物理 PoW 网络的所有过度资金需求都可以直接用于购买平台代币，然后用户可以质押这些代币，以作为网络验证者参与，从而提高资金效率。

随着时间的推移，工作量证明已被证明是一种高度安全的共识机制，因为它使底层网络更难被黑客入侵，因为网络受到参与者的持续监控。由于解决相关计算难题所涉及的过程需要更大的计算能力，因此网络每笔交易都会变得更加艰难。

因此，这使得整个网络更加安全且攻击成本更高（尽管机会成本是增加了能源消耗）。在工作量证明模型中，成功的攻击将需要巨大的计算能力和时间来执行相关的计算。从而在大多数情况下使其效率低下，因为实施攻击所产生的成本通常大于攻击网络所获得的潜在回报。

同样，权益证明也是安全的，因为所有验证者都参与验证交易。相比之下，权益证明 (PoS) 共识机制在设计上更容易受到黑客攻击和安全攻击。从理论上讲，如果一个验证者（或一组网络验证者）拥有 51% 的质押代币，这意味着网络参与者基本上可以控制整个区块链网络并在有恶意时对其进行更改，从而损害网络及其交易的完整性。这种“假设”场景被称为 51% 攻击，这对于较小的区块链网络可能是可行的。

去中心化是区块链领域最常用的词之一，尽管在大多数情况下，实际的去中心化很容易定义，但极难实现。如前所述，去中心化系统可以通过系统内的节点分布水平来表征，从而防止任何实体在网络的共识或治理中拥有多数（> 51％）股权。

在这种情况下，很明显，随着比特币网络的不断发展，参与工作量证明共识的要求在费用和复杂性方面不断增加，这导致了矿工的集中。这是因为对 PoW 链的控制权归于控制 ASIC 生产基础设施和供应链组件的实体。

然而，对此的反驳是，工作量证明共识方法已成为能源丰富但经济贫穷的第三世界国家参与采矿的途径，因为需要大量可再生能源来发电采矿作业。因此，导致网络内节点的进一步去中心化。

另一方面，支持权益证明导致去中心化水平提高的论据之一是由于缺乏采矿设施集中化、规模经济集中化和供应链集中化。这是因为权益证明模型消除了充当验证者所需的任何硬件要求，因此普通消费者设备足以验证链上的交易，而无需进行会导致能源消耗的复杂计算。因此，将运行验证节点的经济成本降低到资本成本（32 ETH）。因此，这增加了区块链网络中可能的验证者的总可行数量。

尽管 32 ETH（目前约为 64,000 美元）对于许多零售参与者来说仍然相对昂贵，但它相对低于为工作量证明采矿作业提供动力所需的基础设施要求。此外，像 Lido 或 Rocketpool 这样的协议允许汇集任意数量的 ETH 并将其委托给中央存储库。从而增加共识过程的包容性，即使对于没有基本 32 ETH 要求的用户也是如此。

总之，由于区块链技术是一种分布式账本技术，它提供了记录的不变性、透明性和安全性，这意味着就网络状态达成共识的模式对于网络的整体运作和状态至关重要。 因为没有中央机构来验证或验证交易。

正如本文所解释的，区块链采用的共识机制的选择具有巨大的技术、经济（货币）、社会甚至监管影响。话虽如此，权益证明和工作证明共识机制对其底层网络都极为重要，尽管必须努力提高其效率（可持续性）、安全性和所有人的可访问性水平。

原文链接：https://mirror.xyz/protext.eth/5ynFbae8QipAbQfBmkcaHo4xUMEcSwdOLFTwocIKba4

翻译：时江

编辑：XL

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