从 PoW 到 PoS ，以太坊的进化之路

文 | 吴盐

出品 |  Odaily星球日报（ID：o-daily）

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 EOS 21 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（Proof of Work）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（也被称为‘无利益相关’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。”

Vitalik Buterin 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-deposit based economic consensus protocol)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，Vlad Zamfir 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（nothing at stake）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（没有保证金存款的 PoS 协议很容易被低成本贿赂给击败）。

2015 年初，Vlad 遇到了一个名为 Matthew Wampler-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（垄断联盟），因为构建最终的区块并不需要其余验证者的参与（这些‘非卡特尔验证者’只持有少于 1/3 的安全存款保证金）。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（现在总量会少一点）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（最多）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 Vinay Gupta 在博文中写下了以太坊的四个发展阶段：Frontier（前沿），以太坊启动；Homestead（家园），从 alpha 走向 beta 版；Metropolis（大都会），开发 Mist 和用户交互界面并提升用户体验（当时的预期）；Serenity（宁静），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（以太坊 1.x 版本）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（ Serenity）计划开启，向 PoS 股权证明机制迈进。

在上述文中提到的 Casper PoS 机制中，Casper 将采用两个版本：Vitalik Buterin 版的 Casper FFG 混合证明和 Vlad Zamfir 版的纯权益证明 Casper CBC 。

根据《ETH 2.0 工程指南》的作者 James Prestwich 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 Casper FFG 机制运行和出块。彼时，信标链（beacon chain）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。Casper FFG 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（1 分钟出 10 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 Casper FFG、Casper CBC 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 Afri Schoedon 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 3 ETH 减少到 2 ETH。

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-Wei Wang 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-Wei Wang

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 Shard chain。

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 Casper CBC 中的所有工作。”

The DAO 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 Casper FGG 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（ PoS 块 ）来评估确定性（Finality）。

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 Casper CBC 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 5 ETH 减少到 3 ETH，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 Casper PoS + Sharding（分片）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 ，从效率角度来看，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，效率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，做不出来。（PoW）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 280000。

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：

（1）实现强健的 PoS 共识机制；

（2）分片；

（3）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。