Vitalik：以太坊从PoW转向PoS的三大关键原因

前言：在以太坊2.0存款合约正式发布之后，以太坊朝着PoS系统的转变迈出了一大步，而以太坊联合创始人Vitalik Buterin在其新发表的文章中，总结了以太坊将从当前的PoW系统切换到PoS系统的理由，在他看来，在相同成本条件下，PoS提供了更好的安全性，从而可以抵御潜在的攻击，此外，PoS系统在遭受攻击后能够更快恢复，而最后一个优势，则是PoS相对于ASIC挖矿更去中心化（注：不包括GPU挖矿），尽管如此，Vitalik也提到了PoW系统可能存在的两大优势，但这些优势仍不足以让以太坊停留在PoW系统。

与工作量证明（PoW）共识机制相比，权益证明（PoS）是一种更优越的区块链安全机制，主要原因有三：

1、在相同成本条件下，PoS提供了更好的安全性

最简单的方法，就是把PoW和PoS放在一起，看看在区块奖励为每天1美元的网络中，进行一次攻击的成本。

基于GPU的工作量证明

你可以便宜地租用GPU，所以攻击网络的成本只是租用足够的GPU功率以超过现有的矿工成本。对于每1美元的区块奖励，现有矿工的成本支出应接近1美元（如果他们支出更多，矿工将因无利可图而退出，如果他们支出较少，新的矿工可以加入进来并获得高额利润）。因此，攻击网络的花费并不会很高，而且只需要进行几个小时的时间。

总攻击成本：

基于ASIC的工作量证明

ASIC是一种资本成本：当你买了一台ASIC矿机，你就可以期望它能在2年内使用，直到它磨损或被更新、更好的硬件淘汰。如果一条区块链受到51%攻击，社区可能会通过更改PoW算法来响应，而你的ASIC矿机就会失去其价值。平均而言，在挖矿成本当中，持续成本约占1/3，资本成本约为2/3（请参阅这篇文章）。因此，对于每天1美元的区块奖励，矿工们将花费大约0.33美元/天的电力+维护费用以及约0.67美元/天的ASIC矿机费用。假设一台ASIC矿机的使用寿命为2年，那么一个矿工将需要花费486.67美元来购买这样的ASIC硬件。

则攻击总成本为：486.67美元（ASIC硬件成本）+0.08 美元（电力+维护成本）= 486.75美元。

而随着加入的门槛越来越高，ASIC以较高的中心化成本提供了更高级别的安全。

权益证明（PoS）

PoS几乎完全是资本成本（存入的币），唯一的运营成本是运行一个节点的成本。现在，人们愿意锁定多少资金来获得每天1美元的奖励？与ASIC矿机不同的是，存入的币不会折旧，当你完成质押后，你可以在短时间延迟内将币取回。因此，参与者应该愿意为同样数量的奖励支付更高的资本成本。

假设15%的回报率足以激励人们投资（这是预期的以太坊2.0回报率）， 那么每天1美元的奖励，将吸引6.667年的存款，或大约2433美元。而一个节点的硬件和电力成本都很小，一台1000美元的计算机就可以质押数十万美元的存款，而每月大约100美元就足以支付电力和互联网成本。我们可以保守地说，这些持续成本约占总投资成本的10%，也就是说，我们每天只有0.9美元的回报最终对应于资本成本，因此我们需要将上述数字削减约10%。

则攻击总成本为：0.90美元/每天 * 2433.455天（6.667年） = 2189美元

从长远来看，这一成本预计会更高，因为Staking会变得更有效，人们对较低的回报率也会感到满意。我个人预计，这个数字最终会上升到1万美元左右。

请注意，获得这种高安全级别的唯一“代价”，是在你Staking时无法随意移动币所带来的不便。甚至有可能是因为公众知道这些币都被锁定了，从而导致币的价值上升，所以在社区里流动、准备进行生产性投资等的货币总量保持不变！而在PoW中，保持共识的“代价”，是真实的电力被疯狂地消耗。

更高的安全性还是更低的成本？

请注意，有两种方法可以提高系统5-20倍的安全性与代价比，一个是保持区块奖励不变，但增加安全性。另一种方法是大幅减少区块奖励（从而导致共识机制的“浪费”），并保持安全级别不变。

两种方法都是ok的，我个人更喜欢后一种，因为正如我们将在下面看到的，在权益证明（PoS）中，即使是成功的攻击，其危害也要比工作量证明（PoW）的攻击小得多，并且恢复也更容易。

2、权益证明（PoS）系统遭受攻击后更容易恢复

在一个PoW系统中，如果你的区块链遭受了51%攻击，你会怎么做？截至目前，实践中唯一的回应就是“等攻击者厌烦”。但这忽略了一种更为危险的攻击可能性，这种攻击被称为“覆巢攻击”（spawn camping attack），意思就是攻击者一次又一次地攻击区块链，目标就是让区块链变得无用。

在一个基于GPU挖矿的系统中，这是没有办法防御的，持续的攻击者很容易能让一条区块链永久地无用（或者更现实地，切换到权益证明或权威证明共识机制）。事实上，在最初的几天之后，攻击者的成本可能会变得非常低，因为诚实的矿工将会退出（原因是他们无法在攻击期间获得奖励）。

而在一个基于ASIC挖矿的系统中，社区可以对第一次攻击做出响应，但这实际上也是一种攻击，社区需要通过一次硬分叉来改变PoW算法来应对第一次攻击，从而“阻挡”所有的ASIC（攻击者和诚实的矿工！）。但是，如果攻击者愿意承受最初的代价，那么在这之后，情况又回到了GPU的情况（因为没有足够的时间为新算法构建和分发ASIC），因此这种情况下，攻击者仍然可以廉价地继续执行覆巢攻击。

然而，在PoS的情况下，情况就要好得多，对于某些类型的51%攻击（特别是恢复最终确定区块），在PoS共识证明系统中有一个内置的“罚没”机制，通过该机制，攻击者的大部分质押权益（而没有其他人的质押权益）会自动销毁。对于其他更难检测到的攻击（尤其是51%的联盟审查攻击），社区可以协调一次少数用户激活软分叉（UASF），在这种情况下，攻击者的资金再次被大量销毁（在以太坊，这是通过“闲置泄漏机制”完成的）。这不需要“销毁币的硬分叉”，除了需要在UASF上协调以选择少数区块之外，其他一切都是自动化的，只需简单遵循协议规则。

因此，第一次攻击区块链将使攻击者损失数百万美元，而社区将在几天内恢复元气。而第二次攻击区块链，仍然会让攻击者损失数百万美元，因为他们需要购买新的币来替代已被销毁的旧币。同样的，第三次、第四次……都需要花费攻击者数百万美元的成本，这场比赛是非常不对称的，它不利于攻击者。

3、权益证明（PoS）比ASIC挖矿更去中心化

基于GPU的工作量证明被认为是合理去中心化的（获得GPU并没有很困难），但是基于GPU的挖矿，在很大程度上不符合我们前面我们提到的防范攻击的安全标准。另一方面，基于ASIC的挖矿需要数百万美元的资本才能进入。

这也是对常见的“PoS导致富人越富”论点的正确回应：ASIC挖矿也意味着富人越富，而这场博弈更是向富人倾斜的。至少在PoS系统中，所需的最低质押金额是相当低的，而且很多普通人都能实现。

此外，PoS共识证明更具抗审查性，GPU挖矿和ASIC挖矿都非常容易检测到：它们需要大量的电力消耗、昂贵的硬件采购以及大型场地，相比之下，PoS 的staking可以在不起眼的笔记本电脑上，甚至通过V.P.N来完成。

PoW可能存在的优点

我认为PoW有两个主要的真正优势，尽管在我看来，这些优势也相当有限。

1、PoS系统更像是一个“封闭”系统，这导致长期来看，系统的财富集中度会更高

在PoS系统中，如果你有一些币，你可以选择质押它们，然后得到更多的币。而在PoW系统中，你总是可以赚取更多的币，但你需要一些外部资源来做到这一点。因此，有人可能会争辩说，从长期来看，PoS系统的代币分配可能会越来越中心化。

对此，我看到的主要回应是，在PoS中，总体奖励（即验证者收入）将会相当低，在以太坊2.0中，我们预计验证者年化总收入相当于ETH总供应量的0.5-2%。并且参与staking的验证者越多，其得到的收益就越少。因此要让币的集中度翻倍，可能需要花上一个多世纪的时间，而在这样的时间范围里，其他压力（想要花钱，将钱分配给慈善机构或其他方式等）可能会占主导地位。

2、PoS需要“弱主观性”，而PoW则不需要

有关“弱主观性”概念的最初介绍，请参见此处。本质上，当一个节点首次上线以及它在很长一段时间（即数月）脱机后的任何后续时间，该节点必须找到一些第三方资源来确定正确的区块链。这可以是他们的朋友，可能是交易所或区块链浏览器网站、客户端开发者或者其他参与者，而PoW则没有这个要求。

然而，这可以说是一个非常弱的要求。实际上，用户已经需要在这种程度上信任客户端开发者或社区。至少，用户需要信任某人（通常是客户端开发者）来告诉他们协议是什么，以及协议的任何更新。

在任何软件应用中，这都是不可避免的。因此，PoS需要的边际附加信任要求仍然很低。

但是，即使这些风险确实很大，但在我看来，相对于PoS系统从其更高的效率，以及更好地处理和从攻击中恢复的能力中获得的巨大收益来说，都是次要的。

另请参阅我之前撰写的关于PoS共识机制的文章。

Proof of Stake FAQ

A Proof of Stake Design Philosophy