PoW和权益证明PoS：以太坊和Moonbeam的环境影响

正如大多数爱好者所知，区块链是一个数据库，在形成单个网络的多台计算机之间维护和共享。为使区块链正常运行，与之交互的所有人都必须看到相同的数据，意味着每一台在网络中的计算机必须同意链上的每一个区块及其整体状态。为确保可以达到一致协议，区块链需要一个共识机制。

围绕这些共识机制存在相当大的争论，主要集中在每个带来的能源消耗或效率上。这种能源消耗会与实体数据库和其他现有的技术相比较，但通常根本不会参与对比，相反，直接被视为浪费，对全球可持续性发展产生负面影响。

这个议题已经变得更有实时性，因为以太坊在最近称为“合并”的事件中，正改变其底层共识机制。

本文将探索这些相互竞争的共识机制，并通过对比以太坊和Moonbeam网络，阐述他们如何在各自能源消耗和碳足迹各不相同。

如今最常见的两个共识机制是工作量证明（Proof-of-Work，以下简称PoW）和权益证明（Proof-of-Stake，以下简称PoS）。通常，PoS对比PoW的能源消耗能节省99%左右，这也让PoS拥有更加环境友好型的选择。总结来说：

工作量证明和权益证明

• 工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）是两个主要的共识机制种类

• 两者均允许计算机针对网络状态达成一致并对其进行保护，但两者的实现却截然不同

• 从根本上说，权益证明（PoS）对环境更友好

工作量证明（PoW）机制已经历经许多年的测试，并证明了其在提供安全和去中心化方面的有效。工作量证明被认为是构建和维护链的最安全方式的绝佳的记录，Bitcoin和Ethereum区块链的状态就是证明。

总的来说，工作量证明机制致力于加大谁能创造下一个区块的预测难度，以此保障网络安全。也就是说带着恶意的个人或者组织将非常困难地插入欺诈区块。在工作量证明中，大部分的能源花费在选择谁是下一个区块的作者。

Mining保护PoW网络

因区块链是去中心化的网络，任何人可以加入并给链添加新的区块。为此，必须使用专门的计算能力来解决任意难度的数学问题，同时消耗大量电力。

这个过程为mining。其工作方式是miner总是必须以比攻击者更高的速度“工作”以为链提供安全性。实践中，要超越恶意行为者，miner不仅应该拥有高效的硬件，因为攻击者也可以使用，而且还要拥有更多的计算能力，这通常会导致更高的能源消耗。最终，miner的计算机必须证明其比攻击者花费更多算力以解决谜题，从而通过抑制网络中的恶意行为来确保网络的安全性权益证明

和PoW不同，权益证明（PoS）通常不需要个人在计算能力的积累中竞争加入网络。相反，网络参与者需要通过质押，将质押的资产作为抵押品，才能够在链中验证区块。

PoW集中在使得系统变得难以参与，而PoS则是集中在使系统在经济上对参与不利。PoS越大越有价值，攻击的成本就越高。

质押保护PoS网络

质押机制因链而异，执行安全机制的规则也有不同的方式，在本文中不做阐述。例如，在以太坊的权益证明（PoS）中，若想要生产区块，需要质押ETH从而成为网络中的验证人。若从硬件的能源消耗来说，PoS的效能会比PoW显著更高（约99%）。

虽然验证人的功能与miner表现类似（如订单交易、为链添加新的区块），他们无需存储物理硬件。更重要的是，不会浪费大量的算力。这是因为网络的安全性是与参与者的质押量紧密联系的，验证人遵守规则参与并获得激励。在一些情况下，如果他们不遵守规则，因验证人而绑定的资产可能会被遭受重度惩罚而大幅减少（Slashing）。Slashing是指验证人和/或质押人失去一部分质押资产的惩罚。波卡就是使用这个共识机制的众多网络之一2

波卡的PoS系统使用一个共享安全的模式，提供了一个比一般PoS系统更高效的共识机制。最近来自Messari的一份研究报告证实波卡的能源消耗比其他的PoW和PoS竞争对手要小的多。

作为在波卡上的头部平行链，Moonbeam依赖于“中继链”提供的共享安全性。实践中就意味着Moonbeam的Layer 1链上生产的区块经过中继链得到最终确认——平行链不负责最终确认。这就创建了一个系统——多个Layer 1链平行运行，生产所需的区块，但能够有效地利用共享的安全机制。

最后，波卡和Moonbeam不仅更节能，并且由于他们的环境足迹非常小，如通过购买碳信用等碳抵消策略，更进一步并转向碳中和网络是非常可行的。

PoW和PoS各有利弊，前者对环境造成影响往往超过是否支持后者的争论。随着网络用户数量近年来的增长，这变成了一个更大的问题。

好几篇在业界备受尊崇的科学期刊中发表的文章讨论了挖BTC对环境的影响，预测长期mining会对地球有着严峻的后果。然而，这些文章使用的研究方法似乎没有一个是能得出准确结果的，所以PoW究竟有多少不好的影响仍然没有确切答案。不过这并不改变PoW会导致全球变暖以及拥有大量碳排放的事实。

幸运的是，当mining的环境影响变成广泛学术界和媒体对于区块链的主要批评点时，越来越多新老团队已经开始向PoS倚靠了。以太坊基金会就是其中一个团队，该团队现在已经处于向PoS过渡的最后一个阶段，并因此即将结束反对其区块链的最主要的争论。该团队的过渡正好在一个极为关键的时刻发生，因为以太坊的PoW共识的能源消耗在过去两年剧烈增加，如下图所示。

• 以太坊正处于从PoW至PoS共识机制的转换过程中

• 预估表明采用PoW每年消耗约为84.4太瓦时，其中一个以太坊交易就约等于YouTube上两万个小时的视频

• 向PoS共识的转变将减少它们超过99%的能源消耗

Digiconomist是一个从经济角度来创建关于数字项目和趋势的指数的平台。一个在学术界和媒体界都经常被提及的指数是由该平台发布的，这个指数表明以太坊每年要消耗大约84.4太瓦时（在撰写本文时）。此外，该平台还预计一次以太坊交易的碳排放就相当于119.68千克二氧化碳，差不多等于在YouTube上看19,947小时的视频或是265,252次VISA交易。虽然这些对比都是基于估算的，这些数字的确反映了PoW给环境带来的巨大影响。

查阅PoW的以太坊能源消耗指数可以帮助我们更好地理解PoW的环境影响是如何计算的。其计算方式的设计采用了与Bitcoin能源消耗指数相同的假设。作者们将电费从mining收入中减除然后将剩余收入的等值美元根据每千瓦时平均价格换算为千瓦时。然后他们将结果乘以二因为以太坊miner使用显卡（GPU）而Bitcoin miner使用专用集成电路（ASIC）。最终结果在下列散点图中总结，以太坊的PoS系统每笔交易的相对能源消耗非常小，以至于我们只有通过放大图表才能看见。

根据以太坊基金会的研究团队描述，一旦以太坊过渡到了PoS，其能源消耗将减少超过99%。由于缺少关于能源用量或是未来验证人可能会使用的硬件的可靠数据，该研究团队依据进行过存款的独特地址的数量以及服务器的数量进行了预估。在2021年5月，他们假定网络中有87,000个验证人，并且以太坊基金会基于质押基础设施团队提供的计算得出PoS以太坊将会消耗约2.62兆瓦，大约等于2100个美国家庭每年用电量。

• Moonbeam所属的波卡的PoS共享安全模型提供了一个的比PoW共识机制更高效的替代方案。

• 粗略计算表明，Moonbeam和波卡加在一起也只会使用以太坊的PoW共识机制的0.001%。

为了充分比较PoW和PoS，我们需要看看一个在正常运行的区块链的数据。以此目的，我们对一个波卡上兼容以太坊的智能合约平行链Moonbeam进行了计算。因为波卡提供平行链共享安全系统，Moonbeam的能源消耗比一般的PoS要少得多。所以，我们对于波卡和Moonbeam总共的能源消耗量是高估了很多的。

波卡给想要加入其网络的项目提供了一个独一无二的价值提案。团队可以租用平行链插槽并连接到被验证人保护的波卡中继链，而不是花费精力和资源与他们的“miner”维持一个独立网络。这些验证人质押DOT并执行两个主要功能：验证区块中平行链收集人提供的信息，参与PoS共识机制以为中继链生产区块，所以也就为生态系统中所有参与者提供一个共享安全系统。

Moonbeam作为波卡上的一个平行链，依赖于波卡中继链提供其安全性并有几个收集人来告诉验证人网络最新情况如何。为比较PoS和PoW的环境影响我们提供了下列关于波卡和Moonbeam能源消耗的计算。因为没有波卡上能源消耗的可靠数据，也因为其他一些因素使得其计算相当困难，我们提供的预估并非完全精确且应该是高估了。

我们假设波卡运行着300个验证人而Moonbeam有64个收集人。考虑运行一个波卡验证人所需的专业要求并计算其能源消耗（约为350瓦），我们可以大致得出网络中每一个验证人一年使用大约3兆瓦时。所以总的来说，波卡验证人（在撰写该文时为300个）每年消耗大约920兆瓦时。假如Moonbeam使用相同的规格以及拥有在撰写该文时的64个收集人，我们可以得出每年大约196兆瓦时。结合两个网络最终得出约为每年1.12千兆瓦时。要注意的是，只有一小部分验证人是被分配到Moonbeam的（在撰写该文时，每个平行链有5个验证人）。所以，总消耗是高估很多的。

但即便是我们高估了计算值，也显示了波卡和Moonbeam总共只消耗如今以太坊PoW消耗量的0.001%左右。与以太坊的每年84.4太瓦时相比，波卡和Moonbeam的0.00112太瓦时能源消耗几乎可以忽略。

基于上述论证，PoS毫无置疑比PoW对环境更友好。

再进一步说，很多使用PoS的项目都已努力使它们碳排放为零。不仅修正共识机制使其更节能，还通过支持气候变化项目以抵消以往的碳排放。比如Algorand使用不包含任何mining并支持解决环境污染问题的项目的纯权益证明（PPoS）。因此，该团队在2021年4月宣布了其区块链已达到碳排放完全为零。另一个例子是正通过使用委托权益证明（DPoS）以努力成为碳排放为零的Near，且该团队也在支持抵消碳排放的项目。

开发者和创建者是在推动项目成为更具有环保意识的主要驱动因素。尤其是创建者已经开始担忧近几年因日益增长的NFT铸造和交易而造成的以太坊的碳排放。举个典型的案例，有一个法国的艺术家取消其艺术品销售，因为他计算后发现卖出6件艺术品所需的几秒钟相当于他工作室两年的用电量。

作为对这个令人咋舌的能源消耗和碳排放的回应，超过3000个艺术家共同倡导CleanNFTs（NFT是在PoS上创建的）。区块链的开发者和用户不仅仅意识到PoW对环境的影响，同时有意识地努力推动技术实现碳中和的事实是有希望的。

我们在本文比较了两个主要且现有的共识机制。虽然PoW在区块链科技中处于领先地位，但也备受环境影响的苛责。目前还没有具体的对地球能造成多少破坏的计算结果，但与替代者PoS相比，PoW似乎是对环境造成了更大的影响。为了展示每个共识机制中能源消耗的巨大差异，我们提供了以太坊和Moonbeam能源消耗的一些基本计算。从结果来看，我们可以自信地说，PoW的能源消耗远超波卡的PoS（包括Moonbeam）。