以太坊:从 PoW 到 PoS ，以太坊的进化之路_POS

WanChain全球副总裁李尼认为，PoS的以太坊比DPoS机制更加民主，更加去中心化。如果它被证明比PoW有很大优势，可能很多新项目就会直接也会采用Fork这个方式转成PoS。“另一方面，以太坊实现PoS后，tps会大大提高，这样会使一些项目从EOS、波场转身，重新拥抱以太坊怀抱。”李尼也预测，但以太坊的出块速度，不一定有EOS21个超级节点那么高效。而以太坊黄皮书翻译者杨镇认为，以太坊共识机制的转换，相当于主网扩容，主要解决tps问题，现在做的这个事有点骑虎难下：“如果考虑应用场景，需要高交互，要求处理时间，是不是一定把所有的计算步骤都在主网上做才可以？”“之前大家就有过焦点争论，二层网络扩展上，把大量有交易要求的计算放在一个单独的二层网络上去做这个事情，过程验证放在主网证明上就可以了。”“我个人觉得，以太坊花这么长时间做这个事情，有点不值。”Casper最初的设计

探讨任何一条公链，无法绕开共识算法这个核心概念。2013年，PoS算法并没有被写进以太坊白皮书。“尽管比特币区块链模型非常简陋，但是实践证明它已经足够好用了，在未来五年，它将成为全世界两百个以上的货币和协议的基石。”这是出自以太坊白皮书的一段话，以太坊从最开始就采用了比特币区块链PoW工作量证明机制。比特币的工作量证明是通过消耗大量算力寻找合理的随机数生成区块验证。在Vitalik看来，PoW不仅“交通”拥堵、浪费能源，而且逐渐迈向了中心化道路。因为随着挖矿难度的增大，ASIC专业矿机应用而生，ASIC专业矿机的出现，造成了算力垄断的局面。PoS——权益证明，是根据每个节点的代币持有量与持有时间之积来决定记账权的机制。举例来说，如果你本金与时间之积越大，你就越有优先记账权，记账后乘积被销毁，这个过程被称作“币天销毁”。相比于PoW的算力证明，PoS机制可以有效减小能源消耗、缩短共识时间、避免算力中心化矿池“作恶”。虽然在以太坊之前已经有PPCoin使用PoS这样的先例，但当时PoS的研究和实现都还很不成熟。阿剑认为“PPCoin运行过程中出现了很多问题，比如‘理性分叉’问题。当时以太坊研究者们还没有找到一种足够安全的PoS机制。”VitalikButerin在《Casper的过去、现在和未来》一文中曾提到：“以太坊的权益证明研究开始于2014年1月，是从‘剑手协议’开始的。”Casper(security-depositbasedeconomicconsensusprotocol)即以太坊的PoS股权证明协议。Casper的共识协议可以通过对保证金的直接控制来约束验证人的行为，这是与经典PoS股权证明的不同之处。2014年4月，VladZamfir以志愿者身份参与以太坊的开发。根据Vlad的说法，Vitalik也是在那一年的维也纳比特币峰会上和他提出“剑手协议”这个概念。“如果你在同一个层级的分叉上同时签署了两份协议，那么你就会失去你所能得到的区块奖励。”这是Vitalik为了解决无利害关系时提出的想法。后来，Vlad正式加入以太坊的开发，并在“剑手协议”的基础上指出“让验证者存储保证金，而且数额要比奖励大很多，以此驱逐贿赂攻击”。当时，Vitalik和Vlad正着手解决贿赂攻击问题。2015年初，Vlad遇到了一个名为MatthewWampler-Doty的人，Matthew和Vlad提到了保证金的概念：“在未来将会产生一个持有多于2/3的安全存款保证金的Tendermint验证者卡特尔，因为构建最终的区块并不需要其余验证者的参与。这些少于1/3的节点将被屏蔽，以至最终被移除出验证者名单。一组新的持有多于2/3的安全存款保证金集卡特尔将随之产生，并且这一过程将会一直持续运作到仅剩两个验证者存在。”Vlad醍醐灌顶，着手研究“卡特尔验证”，并将这一理念加入到了“剑手协议”当中，这就是Casper最初的设计：剑手协议+保证金。2015年3月，以太坊开发者VinayGupta在博文中写下了以太坊的四个发展阶段：Frontier，以太坊启动；Homestead，从alpha走向beta版；Metropolis，开发Mist和用户交互界面并提升用户体验；Serenity，实现权益证明。向PoS机制迈进

以太坊目前有两个开发团队，一个负责当前以太坊的开发和维护，一个负责以太坊2.0的开发。君士坦丁堡分叉则停留在以太坊1.x版本范围的升级。以太坊2.0，是相对于现阶段的以太坊而言。2.0将从宁静计划开启，向PoS股权证明机制迈进。在上述文中提到的CasperPoS机制中，Casper将采用两个版本：VitalikButerin版的CasperFFG混合证明和VladZamfir版的纯权益证明CasperCBC。根据《ETH2.0工程指南》的作者JamesPrestwich的阐述，以太坊2.0测试网预计在今年第一季度推出。以太坊2.0初期，采用CasperFFG机制运行和出块。彼时，信标链将与以太坊1.x互为镜像关系，信标链为侧链，但不具有任何功能，以太坊1.x为主链，按照原有的PoW机制出块。EthFans编辑阿剑告诉Odaily星球日报：“用户在PoW链上将以太币锁进相关的合约就可以获得参与信标链的验证者资格，并得到PoS奖励，但在信标链上新的以太币无法退回到PoW主链上。”在信标链分片阶段，信标链将产生1024个分片，每个分片有一个地址。CasperFFG信标链采用二次随机选举的方式完成出块验证并防止验证者作恶。验证者需要向分片地址投入32个新以太币作为押金。信标链每隔64个块会随机选出128名验证者作为待定委员，再由信标链在从128名待定委员中随机选择出一定数量的委员组成委员会。被选中的委员可以在各自的区块上进行验证产生新的区块，但委员的“任职”期限仅为6.4分钟，6.4分钟后的区块控制者将在下一届的新委会中诞生。以太坊的PoS权益证明，虽然本质上属于链下治理，但处理细节上则以技术手段来强化链上治理。以太坊黄皮书翻译者杨镇认为，相比于DPoS股份授权证明，以太坊的PoS想做成一个更平等的投票方式，这和EOS有很大差别，“我相信一句话，人性是经不起考验的。”但原定于1月16日的君士坦丁堡升级与CasperFFG、CasperCBC均没有半毛钱关系。值得注意的是，在君士坦丁堡的五个EIP升级协议中，EIP-1234是以太坊向PoS机制转换过程中采用“温水煮青蛙”式的既定策略。该协议由AfriSchoedon于2018年7月19日提出，协议建议将难度炸弹延迟12个月，并将矿工奖励由3ETH减少到2ETH。该提案在去年8月31日以太坊开发人员视频会议上被通过，并在以太坊君士坦丁堡硬分叉时执行。以太坊的挖矿难度随挖矿时间成指数增长，即每产出10万个块挖矿难度指数扩大一倍。根据Hsiao-WeiWang的以太坊2.0构架图不难推测，难度炸弹预计推迟到以太坊2.0阶段。以太坊2.0构架图来自Hsiao-WeiWang随着挖矿奖励的减少和难度炸弹的影响，信标链在各方利益者取得共识的时候，出块到足够长，信标链会变成主链，以太坊1.x变为侧链。此时，信标链将分片成Shardchain。探索中的曲折

2015~2016年，Vitalik和Vlad对PoS的研究依然处于摸索阶段，而可扩展性研究中的“渔夫两难”和“投注共识”问题又花掉了以太坊开发团队大部分时间。Vitalik后来总结：“我们在解决PoS、可扩展性中的一些核心问题上遭遇了一系列失败，Vlad悄悄地暂停了他在CasperCBC中的所有工作。”TheDAO事件、DoS攻击，更让以太坊团队在长达6个月的时间里几乎无暇顾及之前的研究方向。直到2017年，Vitalik和Vlad的Casper研究出现了转机。先是以太坊开发了一个名为最小罚没的协议：一旦在某轮中某区块获得2/3的验证者同意，该区块的父块便被敲定，最小罚没条件是CasperFGG的核心思想。FFG是以太坊在过渡阶段的PoW+PoS混合共识机制。在FFG最初的设计中，Vitalik将一个权益证明协议叠加在以太坊的工作量证明协议上，即区块仍将通过工作量证明来挖出，但每50个区块中将有一个权益证明检查点来评估确定性。Vitalik兴奋地讲到：“这会是一种可以让我们快速转向混合共识的机制，并且对现有区块链造成的冲击也最小，然后理论上我们将有可能升级为完全的权益证明。”为此，以太坊开发团队还做了一个Python测试客户端，用不同的VPS、服务器和电脑通信来做测试。Vlad在2017年也发表了CasperCBC的论文。与FFG不同的是，CBC强调"建构中修正"，协议规定：你正式地但只是部分地指定协议。定义该协议必须指定的属性。从满足所有它被规定去指明的属性中推导出该协议。CBC协议中有一个叫做预估安全预言机，在设定提出一个合理估计的错误的例外情况，列出所有在未来可能发生的错误，在给定区间内，其正确性是由其建构过程来保证。CBC属于纯PoS股权证明，预计将在以太坊3.0中实现。延迟“炸弹难度”也是在这个时候开始被提出。2017年6月21日，EIP-649协议提出在君士坦丁堡升级中延迟炸弹难度，将平均阻塞时间减少到15秒以下，同时区块奖励从5ETH减少到3ETH，为以太坊的过渡赢取时间。2018年，已经有多个以太坊开发团队各自尝试分片技术的实现。Vitalik认为：“在分片这一边，最终变得越来越清楚的是：让分片系统的核心放在PoS链上会给我们带来更高的效率。”“变成PoW链上的一个合约，我们就不得不处理EVM的开销，应付Gas机制，应付不可预测的PoW区块时间；PoS+分片可以带来更快的出块时间等一系列好处。”这时候“权益证明协议叠加在以太坊的工作量证明协议上”被放弃，取而代之的就是以太坊2.0的CasperPoS+Sharding技术。持续的争议

Vitalik个人博客简介倒数第五行上写着：Religion:crypt。早在2014年，Vitalik就说过：“股权证明仍然是加密货币领域最具争议的讨论之一。”时至今日，不同的人，对共识机制问题依然有不同的看法。“减少了能源的损耗，它不再需要通过挖矿这个方式，从理论上来说，PoS会大大的降低中心化风险。”李尼认为，PoS比PoW先进很多。矿宝负责人刘杰则认为，PoW没什么不好，很多人觉得是在浪费电费，我的理解正相反：“矿工的电费实际上是靠经济的作用来提高PoW数字资产的安全性。那么大的资产，才需要那么多的电费来维护它的安全和运转。”PoW机制造成了寡头垄断，PoS则属于资本家的游戏。穷者越穷，富者恒富，即使以太坊摆脱了寡头垄断，却难免再次陷入富者恒富的鸿沟。无论链上治理还是链下治理，共识机制的规则和程序都由人来制定。共识机制问题，业内争论不休，如果上升到人类的社会治理层面，无非你管的多好，还是你管的少好。安全一定的前提下，弱中心化管理，必然带来效率问题。原力创始人孤矢则告诉Odaily星球日报：“目前，不论DPoS还是PoS，从安全角度来看，都没有PoW完美。PoW唯一不完美的地方是太去中心化了，社区治理不好，推动很慢。但没有办法，安全和去中心化是非此即彼的问题，比如说我们团队干活的时候叫PoW，开会的时候就叫PoS，因为CEO说了算。”“PoS存在就一个问题，一直没做出来。以太坊已经喊了一两年PoS了，都没做出来，代码上也没什么。这次一分叉升级啥都没改吗？不就是调了几个Bug，然后优化了几个数据嘛。”1月18日晚间，以太坊开发团队在电话会议上就EIP-1283协议漏洞问题，再次将君士坦丁堡升级事件推迟至2月27日16:56，区块高度为7280000。如果以太坊顺利升级成功，在宁静来临之前，难度炸弹问题还能留给以太坊开发团队多少时间？阿剑认为：“这个很难说，也许年中，也许年底。这个过程需要解决的问题还真不少，首先是确定信标链上的分叉选择规则，然后实现PoW链上的质押合约等。”以太坊如果进化到2.0，最终解决的问题无外乎三点：实现强健的PoS共识机制；分片；将EVM转成EWASM。总结起来很简单：一个可以稳定高效运行的去中心化智能合约平台。好与不好，先做出来一个再说。——---——————--作者吴盐，专注矿业、区块链报道，交流可加微信BIG-BYE，劳请备注职务和事由

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