从PoW到PoS，以太坊的进化之路

WanChain全球副总裁李妮认为PoS以太坊比DPoS机制更加民主和去中心化。 如果证明比PoW有很大的优势，很多新项目可能会直接采用Fork的方式转PoS。

“另一方面以太坊pos机制，以太坊实现PoS后，tps会有很大的提升，这会让一些项目从EOS和TRON转身，重新拥抱以太坊。” 李尼也预测过，但以太坊出块的速度不一定像 EOS 21 个超级节点那样高效。

而以太坊黄皮书的译者杨震认为以太坊pos机制，以太坊共识机制的转换相当于主网的扩容，主要是为了解决tps问题，现在做起来有点难度：

“如果考虑到对交互和处理时间要求高的应用场景，是否有必要在主网上做所有的计算步骤？”

“之前大家有过激烈的争论，对于二层网络的扩容，大量有交易需求的计算，应该放在一个单独的二层网络上来做，流程验证可以放在主网上网络证明。”

“就个人而言，我认为以太坊花这么长时间做这件事是不值得的。”

Casper的原始设计

讨论任何一条公链都不能绕开共识算法这个核心概念。 2013年，PoS算法还没有写入以太坊白皮书。

“虽然比特币区块链模型非常简陋，但实践证明它已经足够好了。未来五年，它将成为全球200多种货币和协议的基石。”

这是以太坊白皮书的一段话。 以太坊从一开始就采用了比特币区块链的 PoW 工作量证明机制。

比特币的工作量证明是通过消耗大量的算力来寻找一个合理的随机数来产生区块验证。

在 Vitalik 看来，PoW 不仅拥塞“流量”，浪费能源，而且逐渐走向中心化。

因为随着挖矿难度越来越大，出现了ASIC专业矿机的应用，而ASIC专业矿机的出现造成了算力的垄断。

PoS——Proof of Stake，是一种根据每个节点的代币持有量和持有时间的乘积来决定记账权的机制。 比如你的本金和时间的乘积比较大，你就可以优先记账。 记账后，产品将被销毁。 这个过程称为“币天销毁”。

与PoW的算力证明相比，PoS机制可以有效降低能耗，缩短共识时间，避免算力集中矿池“作恶”。

虽然在以太坊之前有 PPCoin 使用 PoS 的先例，但当时 PoS 的研究和实现还不成熟。 阿健认为，“PPCoin的运行存在很多问题，比如‘理性分叉’问题（也称为‘无抵押’问题），当时以太坊研究人员还没有找到足够安全的PoS机制”

Vitalik Buterin 在《Casper 的过去、现在和未来》一文中提到：“以太坊的权益证明研究始于 2014 年 1 月，从‘笑傲江湖协议’开始。”

Casper（基于保证金的经济共识协议）是以太坊的PoS权益证明协议。 Casper 的共识协议可以通过直接控制存款来约束验证者的行为，这与经典的 PoS 权益证明不同。

2014 年 4 月，Vlad Zamfir 作为志愿者参与了以太坊的开发。 据Vlad介绍，Vitalik还在当年的维也纳比特币峰会上与他一起提出了“剑手协议”的概念。

“如果你在同一级别的分叉上同时签署了两个协议，那么你将失去你可以得到的区块奖励。” 这就是 Vitalik 提出的解决 nothing at stake 的思路。

后来，Vlad 正式加入以太坊的开发，并在《笑傲江湖协议》的基础上指出，“让验证者存储押金，金额远大于奖励，以此来驱赶贿赂攻击”。

当时，Vitalik 和 Vlad 正在解决贿赂攻击的问题（没有保证金存款的 PoS 协议很容易被低成本贿赂击败）。

2015 年初，Vlad 认识了一个叫 Matthew Wampler-Doty 的人，Matthew 和 Vlad 提到了 margin 的概念：

“未来会有一个 Tendermint 验证者卡特尔（cartel）持有超过 2/3 的保证金，因为剩下的验证者不需要构建最终区块（这些‘非卡特尔验证者验证者’只持有少于1/3 的保证金）。这些少于 1/3 的节点将被阻止并最终从验证者列表中删除。一组新的节点持有超过 2/3（然后将创建一个保证金卡特尔，并且这个过程将一直持续到只剩下（最多）两个验证者为止。”

Vlad灵机一动，开始研究“Cartel Verification”，并将这个概念加入到“剑侠协议”中，也就是Casper最初的设计：剑侠协议+保证金。

2015年3月，以太坊开发者Vinay Gupta在一篇博文中写下了以太坊的四个发展阶段：Frontier（前沿），以太坊起步； Homestead（家园），从 alpha 到 beta 版本； Metropolis（大都会），开发Mist和用户界面，提升用户体验（当时的期望）； Serenity（宁静），实现权益证明。

转向 PoS 机制

以太坊目前有两个开发团队，一个负责当前以太坊（以太坊1.x版本）的开发和维护，另一个负责以太坊2.0的开发。 君士坦丁堡分叉仍在以太坊 1.x 版本升级范围内。

以太坊 2.0 是相对于以太坊现阶段而言的。 2.0将从Serenity计划开始，走向PoS权益证明机制。

在上文提到的Casper PoS机制中，Casper会采用两个版本：Vitalik Buterin的Casper FFG混合证明和Vlad Zamfir的纯权益证明Casper CBC。

据《ETH 2.0 工程指南》作者 James Prestwich 介绍，以太坊 2.0 测试网预计将于今年第一季度推出。

在以太坊 2.0 早期，使用 Casper FFG 机制来运行和生成区块。 届时，信标链（beacon chain）将与以太坊1.x为镜像关系。 信标链是一条侧链，但不具备任何功能。 以太坊 1.x 是主链。 按照原来的 PoW 机制出块。

EthFans 编辑阿健告诉 Odaily 星球日报：“用户可以通过将以太坊锁定到 PoW 链上的相关合约中，从而获得参与信标链的验证者资格，并获得 PoS 奖励，但信标链上的新以太坊无法获得回到 PoW 主链。”

在信标链分片阶段，信标链会产生1024个分片，每个分片都有一个地址。 Casper FFG信标链采用二次随机选举的方式完成区块验证，防止验证者作恶。

验证者需要将 32 个新的以太币放入分片地址作为押金。 信标链每 64 个区块（每分钟 10 个区块）随机选出 128 个验证者作为待选委员，然后信标链从 128 个待选委员中随机选出一定数量的委员组成委员会。

被选出的委员会成员可以在自己的区块上进行验证，产生新的区块，但委员会成员的“任职”时间只有6.4分钟，6.4分钟后的区块控制器将在下一个新的委员会中诞生。

虽然以太坊的PoS权益证明本质上是一种链下治理，但在细节上通过技术手段加强了链上治理。

以太坊黄皮书译者杨震认为，相对于DPoS共享授权凭证，以太坊的PoS想要做一个更平等的投票方式，这与EOS有很大的不同。 “我相信一句话，人性经不起考验。”

不过，原定于 1 月 16 日进行的君士坦丁堡升级与 Casper FFG 和 Casper CBC 无关。

值得注意的是，在君士坦丁堡的5个EIP升级协议中，EIP-1234是以太坊向PoS机制转换过程中的既定策略“温水煮青蛙”。

该协议由 Afri Schoedon 于 2018 年 7 月 19 日提出，提出将难度炸弹延迟 12 个月，并将矿工奖励从 3 ETH 减少到 2 ETH。

该提案于去年 8 月 31 日在以太坊开发者视频会议上通过，并在以太坊君士坦丁堡硬分叉时实施。

以太坊的挖矿难度随着挖矿时间呈指数级增长，即每产出10万个区块，挖矿难度指数翻倍。 根据王晓伟的以太坊2.0架构图，不难推测难度炸弹有望推迟到以太坊2.0阶段。

以太坊2.0的架构图来自Hsiao-Wei Wang

随着挖矿奖励的减少和难度炸弹的影响，当所有利益相关者达成共识时，信标链将成为主链，以太坊 1.x 将成为侧链。 . 此时，信标链将被划分为分片链。

曲折探索

2015 年到 2016 年，Vitalik 和 Vlad 对 PoS 的研究还处于探索阶段，可扩展性研究中的“渔夫困境”和“投注共识”问题占据了以太坊开发团队的大部分时间。

Vitalik 后来总结道：“我们在解决 PoS、可扩展性方面的一些核心问题时遭遇了一系列失败，Vlad 悄悄地暂停了他在 Casper CBC 的所有工作。”

DAO事件和DoS攻击让以太坊团队长达6个月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。 首先，以太坊制定了一种称为最小削减的协议：一旦某个区块在某轮中获得 2/3 的验证者的认可，该区块的父区块将被最终确定。 最小罚没条件是Casper FGG的核心思想。

FFG是以太坊过渡阶段的PoW+PoS混合共识机制。 在 FFG 最初的设计中，Vitalik 在以太坊的工作量证明协议上叠加了一个权益证明协议，即仍然会通过工作量证明来挖块，但每次都会进行一次权益证明检查。 50块。 点数（PoS 块）来评估最终性。

Vitalik 兴奋地说：“这将是一种机制，可以让我们快速转向混合共识，同时对现有区块链的影响最小，然后理论上我们将能够升级到完整的权益证明。”

为此，以太坊开发团队还制作了一个Python测试客户端，使用不同的VPS、服务器和电脑通讯进行测试。

Vlad 还在 2017 年发表了一篇关于 Casper CBC 的论文。与 FFG 不同，CBC 强调“正在建设中的修复”，并且协议中规定：

您正式但仅部分指定协议。

定义必须为此协议指定的属性。

该协议源于满足它指定要指定的所有属性。

在 CBC 协议中，有一个预测安全预言机。 当设置一个异常来合理估计错误时，它列出了将来可能发生的所有错误。 在给定的区间内，其正确性由其构建过程决定。 确保。 CBC 是一种纯 PoS 权益证明，有望在以太坊 3.0 中实现。

延迟的“炸弹难度”也是在这个时候提出来的。 2017年6月21日，EIP-649协议提出延迟升级君士坦丁堡的炸弹难度，将平均出块时间降低到15秒以下，同时将出块奖励从5个ETH降低到3个ETH，这是以太坊的 Transitions 购买时间。

2018 年，多个以太坊开发团队尝试实施分片技术。 根据维塔利克的说法：

“在分片方面，我们终于清楚，在 PoS 链上拥有分片系统的核心可以提高我们的效率。”

“成为PoW链上的合约，我们要处理EVM的开销，Gas机制，以及不可预测的PoW出块时间；PoS+分片可以带来更快的出块时间等一系列好处。”

此时，“叠加在以太坊工作量证明协议之上的权益证明协议”被抛弃，取而代之的是以太坊2.0的Casper PoS + Sharding（分片）技术。

持续的争议

Vitalik 个人博客简介的倒数第二行是：宗教：地穴。

早在 2014 年，Vitalik 就表示：“权益证明仍然是加密货币领域最具争议的讨论之一。” 今天，对于共识机制的问题，不同的人还是有不同的看法。

“能量损失减少，不再需要挖矿，理论上PoS会大大降低中心化的风险。” 李妮认为 PoS 比 PoW 先进很多。

狂宝负责人刘杰认为，PoW并没有什么问题。 很多人认为这是浪费电。 我的理解是相反的：“矿工的电费其实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，需要那么多的电费来维持它的安全和运行。”

PoW 机制造成了寡头垄断，而 PoS 是资本家的游戏。 穷人越穷，富人越富。 即使以太坊摆脱了寡头垄断，也不可避免地会再次陷入富者再富的鸿沟。 无论链上治理还是链下治理，共识机制的规则和程序都是由人制定的。

关于共识机制的问题，业界一直争论不休。 如果上升到人类社会治理的层面，无非就是你管得好不好，管得少。 在一定安全性的前提下，薄弱的中心化管理必然会带来效率问题。

The Force创始人顾亚告诉Odaily星球日报：“目前，无论是DPoS还是PoS，从安全的角度来看，PoW都不是完美的。PoW唯一不完善的是过于去中心化和社区治理不好。很慢。但是没办法，安全和去中心化是非此即彼的问题，比如我们团队工作的时候叫PoW，开会的时候叫PoS，因为首席执行官有最终决定权。”

“PoS唯一的问题是还没有做出来。（PoW）以太坊呼吁PoS已经一两年了，但一直没有做出来，代码也没有错。” “这次一次fork升级没有改变什么？没有？调整了一些bug，然后优化了一些数据。”

1月18日晚，以太坊开发团队在关于EIP-1283协议漏洞的电话会议中再次将君士坦丁堡升级事件推迟到2月27日16:56，区块高度为728万。

如果以太坊升级成功，难度炸弹问题能留给以太坊开发团队多少时间才能平静下来？

阿建认为：“不好说，可能年中，也可能年底。这个过程需要解决的问题真的很多。首先，确定信标上的分叉选择规则链，然后在 PoW 链上实现质押合约。”

如果以太坊进化到2.0，最终要解决的问题不外乎三点：

(1) 实现稳健的 PoS 共识机制；

(2) 碎片化；

(3) 将 EVM 转换为 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。 不管好坏，先做一个。

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作者吴岩，专注于挖矿和区块链报道。 可以加微信BIG-BYE进行交流。 请注明您的立场和理由。