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巴比特专栏 | 有了PoW，为什么还需要PoS？
有人认为：只有PoW才能可靠地打通现实世界和虚拟世界的价值；PoS是凭空造币，以不公平的方式分配，注定会造成垄断等等。还有更直截了当的看法：所有PoS链都是骗子。这些论断没法反驳，或者说既不能证明，也无法证伪。我认为PoS具备一些PoW没有的性质，这些性质至少对部分加密协议应用非常重要。本文试图以非技术预言呈现PoS的部分特点。
大家常说的PoW和PoS，分别指基于工作量证明的中本聪共识，和基于权益证明的BFT共识，后面还是简称为PoW和PoS。设计共识协议不是为了公平地把币发出去，而是为了维护区块链网络安全。本文所说的区块链都是指公链，不包括联盟链和私有链。什么是区块链网络安全？这个问题似乎很基础，其实非常复杂。但是反过来解释简单很多，什么是不安全的区块链？或者说区块链可能发生什么安全事故，如果发生了会有什么问题？
区块链是分布式账本技术，是生产信任的机器。区块链的数据结构和网络协议设计，都是为了在无中心协调的条件下，在网络不可靠、参与节点不可靠的拜占庭环境下，安全可验证地记账。可以说区块链天然就比其他类型的网络架构安全。不考虑软件缺陷，区块链可能发生的安全事故只有两种，一是被DDOS分布式拒绝服务攻击，二是被双花攻击。DDOS攻击就是给网络捣乱，让网络整体或者局部不能正常工作，但是捣乱并不能直接获利。对于传统的网络，DDOS攻击的盈利模式是勒索或者收钱办事。要么有人花钱雇佣黑客去给竞争对手、或者他不喜欢的网络捣乱。要么攻击者先捣乱，然后向运营方要钱，不给钱就继续捣乱。区块链是去中心化网络，勒索就不知道该向谁要钱。而且区块链是分布式自组织的网络，如果规模比较大而且设计良好，要让它失效很难，成本很高。所以区块链安全要考虑DDOS服务攻击，但不是重点。
重点是双花攻击，它是区块链网络现实存在的威胁。按字面的意思，双花就是一笔钱花了两遍。那么一笔钱怎么能花两遍呢？目前已经发生成功的双花攻击，都是如下流程：
- 转币进交易所；
- 把币卖出，钱提出来；
- 发动攻击分叉区块链，新链不包括第一步转币的交易。相当于币又回到攻击者的地址上。
区块链历史上成功的双花攻击，有两点特别值得注意。第一是被成功攻击的都是PoW链。我希望那些天天说PoS不安全的人注意这个事实，PoS链哪怕是早期不太成熟的PoS，都没有被双花攻击过。这不是说PoS链不能被攻击，是攻击PoS链无利可图，原因我后面会讲。所以对PoS攻击方式的研究都是理论，现实环境中没人干。第二点是双花攻击对币价的影响。可能很多人跟我一样，双花攻击证明了链不安全，那肯定币价暴跌啊。现实情况不是这样，大家去查查ETC、比特黄金、Verge遭遇双花攻击的行情，币价只跌了一点点。为什么呢？因为双花吃亏的是交易所，相当于攻击者骗走了应该属于交易所的币。大部分持币者会想：跟我有什么关系？我手里的币没少也没被稀释。交易所赚那么多钱，活该他出血。所以你投资的币，如果被双花攻击了，不要认为天塌了，马上跑。但是注意，不要马上就跑，等风头过去了，还是应该跑。为什么呢？因为保障加密资产安全，是区块链最重要的能力。这次攻击倒霉的是他，下次攻击倒霉的可能是我。所以一条区块链被贴上了不安全这个标签，基本上就走上了缓慢归零的道路，除非它能证明安全问题解决了，但是非常困难。大家可以查一查ETC、比特黄金、Verge被攻击后市值排名的变化。因为价格变化是跟整体市场有关的，市值排名反应了在行业内的地位。
上面谈了不安全的区块链。比特币非常安全，这个大家都认同，但是比特币安全不代表PoW安全。下次听到有人说PoW比PoS安全，你可以用事实来反驳他。为什么同为PoW链，有的安全有的不安全？因为PoW链安全的前提是：区块奖励高于同期租用51%算力的成本。（应该是区块奖励+交易费，但是交易费通常比区块奖励低两个数量级，在此忽略不计，下同）。非常简短的前提，但实际情况非常复杂，需要分几种情况来说明。首先是通用计算机挖矿为主，还是专用矿机为主。如果是通用计算机挖矿为主，理论上来说都是不安全的。为什么呢？因为挖加密货币的通用计算机，只占互联网计算机很小很小一部分。如果攻击者控制的僵尸网络（类似于以很低成本租用了大批通用计算机）比诚实挖矿网络的算力高，就可以发动双花攻击。
专用矿机是固化了某种Hash算法，例如SHA256的矿机，所有采用SHA256的链都可以挖。对于同一类专用矿机，算力占比最大的链是最安全的。算力分配是由区块奖励金额决定的。假设每个小时BTC/BCH/BSV三条链提供的出块奖励分别是100元、3元、2元，那么算力就会按100:3:2的比例分配。如果有利可图，攻击者就可能租用总算力的一小部分来攻击BSV，但是租用大部分算力来攻击BTC则非常困难。
这里有两个问题。第一为什么要租算力，矿工自己不能直接攻击吗？一般来说不会，因为矿工和矿场做双花攻击，可能单独看是获利了。但是链不安全了，币会贬值，相应的矿机也跟着贬值。所以手里有大批专业矿机的人，不会攻击链，至少不会攻击区块奖励最大的链。第二个问题是，多数情况下，挖矿是有利可图的，所以算力租用成本很高，攻击不成立。但是特殊情况是，币价暴跌，前期扩张的算力过多，大量的矿机关机。这时候租用矿机的价格仅仅高于运行成本，也就是电费，区块奖励低的币就很危险。综合上面的分享，可以把PoW的安全前提大致变成：专用矿机挖矿，而且算力占比最高。
知名加密货币研究者Nic Carter用上图说明：A链在同类算力占一小部分。B链占了同类算力的一大部分。虽然A链的算力的绝对值（即Hash Rate）高于B链，但是B链比A链更安全。
到这一步，我们可以回到主题，说说为什么需要PoS。一个前置的问题是：除了BTC以外，其他链还有没有必要？比特币最大化主义者认为，比特币是唯一有用的加密货币，其他区块链，包括以太坊都是在瞎搞。如果你同意这个观点，当然PoS就没必要。另外一些人（包括我）认为，去中心化加密协议定义高效的市场，能够降低交易成本。世界需要很多加密协议，很多条区块链。
新运行一条区块链，如果采用PoW协议，会遇到冷启动困难。其实不只新PoW链，比特币也遭遇过冷启动难题。就是币不值钱，没什么人挖矿，所以网络不安全，网络不安全所以币没法升值。比特币之后的三年，币价低，网络脆弱，关注的人很少。由于挖矿收益 = 市值 * 增发率。PoW币要有很高的市值和增发率，才能吸引矿机厂商设计ASIC矿机（一次性成本很高）、矿工大量购置部署矿机。这就陷入了先有鸡还是先有蛋的冷启动难题：新生网络不安全，应用少；而且增发率高，不被当作价值存储；市值难以扩大。市值低挖矿收益就低，算力无法增长。
设计新的PoW链要选择用哪种Hash算法。如果选已经有专用矿机的算法，那么初期初期币价，算力占比低，链不安全。如果选择还没有专用矿机的算法，就要经历一段时间的通用硬件挖矿，这段时期网络也不安全。当我只是说困难，不是说不可行。例如Nervos，他们团队有很好的口碑，做了很多创新。所以主网上线的时候，CKB已经有比较高的市值，区块奖励很高，可以吸引很多算力来挖矿。Nervos设计了独特的Hash算法，由于区块奖励很高，可能很快就会出现专用的矿机，这是Nervos社区乐于见到的。因为Hash算法是新的，新矿机只能用来挖CKB，网络的安全性大幅提高。但是，Nervos应该被视为特例，它的启动过程恰恰证明了，新链采用PoW非常困难。很难想象，未来几年会出现十几条、几十条甚至更多PoW链，能够完成自举。
PoS链即便处于早期也可以很安全。因为对PoS链做双花攻击，需要掌握至少1/3 Staking的币。手里有那么多币，应该是数一数二的大户了，双花攻击引发币价下跌，损失最大的是自己。跟最大的矿工不会攻击比特币是一个道理。那么有没有可能，攻击者两次卖出双花的币，快速获利离场呢？我们来看一个例子：
假设一条PoS链，总流通市值只有1000万美元，而且Staking比例很低，只有30%。跟市场上流通市值数千万美元以上、Staking比例达到50%甚至更高的PoS链相比，显然更容易被攻击。攻击者已经准备好了条件，他控制了1/3的Staking（总量的10%），同时还拥有占总量10%的流通筹码。于是攻击者首先把流通的10%转入交易所1，卖出后把钱提出来。然后发动攻击逆转了存币交易。为了不承担攻击暴露币价下跌损失，他快速地把恢复到自己地址的10%存入交易所2，卖出后提款。如果整个过程中币价都没有下跌。攻击者的成本（10% Staking被罚没）和收益（10%流通筹码卖了两次）恰好持平。上述是对攻击者最有利的情况，但现实环境中不可能出现。因为攻击者卖出受到市场流动性的限制。先不说第一个10%卖出给币价的冲击。专业安全公司发现BFT链分叉并发出警告，只需要几分钟时间。攻击者不可能在不引起交易所关注、不影响币价的条件下卖出第二个10%。
所以PoS的链，无论币值高低，只要软件没有缺陷，都是安全的。多说一句，软件缺陷跟协议本身没有关系，是实现的问题。但是不可否认，新一代的PoS链上线时间还太短，可能存在隐匿的缺陷，需要时间来验证其安全性。
除了安全启动外，PoS跟PoW相比还有一个优势，就是快速最终性。最终性就是对区块不会被链放弃，成为孤块。PoW链只有概率最终性，刚出来的块不太可靠，可能被放弃掉（重组）。随着区块后面不断附加区块（深度增加），被放弃的可能性越来越低。当深度增长一定量，用户可以确信区块不会被放弃了，区块里的交易不会被逆转。基于PoS的BFT共识通常具有快速最终性，合法（对出块和敲定分开的混合共识是指被敲定）区块一出来就具有最终性，如果被逆转意味着出大事儿了，有1/3 Staking的币被系统罚没。比较快速最终性和概率最终性，需要找到可以比较的维度。就像梨和苹果，有人喜欢吃梨、有人喜欢吃苹果，比较它们的味道不会有大家都认可的结论。如果比较价格就容易了，在一个市场里，哪个贵哪个便宜一目了然。
还是Nic Carter写的《 这叫交易结算保证，小傻瓜 》，这篇文章本来是比较PoW链的。但是他所提出的结算保证的概念，同样适用于比较PoW和PoS链。
如上图，PoW的结算保证呈阶梯状，后面每多一个块，对块（内所有交易）的结算保证金额增加一个区块的奖励金额。BTC当前价格是8000美元，每个块奖励12.5个BTC，也就是大约10万美元。比特币平均10分钟出一个块，结算保证增加10万美元。粗略地说，PoS链结算保证可以认为不随时间变化。某个PoS链流通市值1000万美元，Staking比例30%，采用出块即敲定的BFT协议（例如Tendermint）。交易只要被包含进合法区块，立即获得1000万*30%*1/3=100万美金的结算保证。快速获得可量化的结算保证，对于很多加密协议的应用场景是有意义的。这是我认为PoS有必要性的第二个理由。此外，基于PoS可以发展高效的加密协议社区治理，这方面的分析可参见拙作《 加密协议治理之道 》。
