如何深入的了解PoS

PoS（Proof of Stake）本質(zhì)上是一種持有一定幣量而獲得挖礦資格和收益的共識協(xié)議，在最初 Proof of Stake 2013年被提出來后， Nothing At Stake （無利害關(guān)系）的問題和 Long-Range Attack（長程攻擊）問題是經(jīng)常被談?wù)摰?Proof of Stake 共識協(xié)議的挑戰(zhàn)。

今天我們先來看看 Nothing At Stake problem （無利害關(guān)系）。

Nothing At Stake， a situation where someone loses nothing when behaving badly， but stands to gain everything.

Nothing At Stake 問題的本質(zhì)是 “作惡無成本，好處無限多”。具體來講，是當(dāng)在 PoS 共識系統(tǒng)出現(xiàn)分叉 （fork） 的情況時 ，出塊節(jié)點可以在”不受任何損失“的前提下，同時為多條鏈出塊，從而有可能獲得“所有收益”。

這就好比有個窗口，排隊既可領(lǐng)錢，當(dāng)只有一個窗口時，大家會乖乖的排隊，每人都有，其樂融融。

但是當(dāng)?shù)诙€窗口出現(xiàn)時。大家知道，最終這兩個窗口有可能只有一個領(lǐng)到的是“真錢”，另外一個的錢會變成廢紙。但排隊的你不知道哪個窗口會是發(fā)“ 真錢” 的窗口。所以你會怎么做呢？ 你可能會下個跑腿訂單幫你分身同時去另外一個窗口排隊。

但是，在實際 PoS 出塊節(jié)點時，此時的分身無成本，只是計算機做一個運算而已。

這會造成什么亂象呢？

聰明的出塊節(jié)點會有動力產(chǎn)生新的分叉，支持或發(fā)起不合法交易，其他逐利的出塊節(jié)點會同時在多條鏈（窗口）上排隊出塊支持新的分叉。隨著時間的推移，分叉越來越多，非法交易，作惡猖狂。區(qū)塊鏈將不再是唯一鏈，所有出塊節(jié)點沒有辦法達成共識。

另外，無利害關(guān)系問題還讓雙花攻擊更容易。不像 PoW 51% 的攻擊那樣，PoS 的攻擊節(jié)點只需要多一定的算力 （有時候僅僅1% ）就有可以進行攻擊。例如一個質(zhì)押總量占流通幣量只有30%的幣，攻擊成本相比 60% 質(zhì)押率的網(wǎng)絡(luò)更容易攻擊。

有多容易呢？如下圖所示，仍然是 A、B、C 三個出塊節(jié)點，假如 A是攻擊節(jié)點，它在產(chǎn)生分叉時創(chuàng)造兩筆交易。一筆將X個幣發(fā)給自己的一個錢包地址，同時在另外一個分叉上將X個幣發(fā)到交易所。B、C出塊節(jié)點因 Nothing At Stake 所以同時會在兩條分叉鏈上出塊。當(dāng)交易被交易所確認后， A 將 X 個幣出售兌換成隱私幣種，移出交易所。之后 A 通過增加質(zhì)押幣量，或創(chuàng)建多個其他出塊節(jié)點的方式提升出塊權(quán)重，只在分叉鏈繼續(xù)出塊。此時最長鏈很明顯，且逐漸拉開差距，會最終成為最長鏈，A 成功將 X 個幣雙花。

為什么 Nothing At Stake 問題僅僅是 PoS 的挑戰(zhàn)？ PoW難道不會有嗎？

PoW機制天生避免了這個問題。因為在出塊時，礦工會付出機會成本 — 算力資源。如果分叉出現(xiàn)， 礦工需要慎重的選擇在哪條鏈上出塊，一旦選錯，付出的算力成本則沒有收益。礦工也不會選擇在兩條鏈上均分算力，這樣只會將原鏈的出塊概率縮小一半，可能得不償失。

那么如何解決 Nothing At Stake問題 ？

一般的策略都是后置懲罰，既如果被判為惡意出塊行為，則會將 stake 的一部分或保證金作為罰金。然而，所有的懲罰和監(jiān)管措施都只是事后，而不像 PoW需算力出塊的隱形約束直接。

我們來看看 Tezos 是怎樣使用懲罰機制來避免 Nothing At Stake 問題的：在 Tezos 鏈上參與挖礦需要保證金，這部分保證金就是用來保證“面包師” （baker）的誠實行為，如果面包師試圖在兩個分支上廣播區(qū)塊，那么他的保證金將被沒收。如果面包師成功創(chuàng)建和廣播了合法區(qū)塊，他將獲得區(qū)塊獎勵和交易手續(xù)費。這種機制用金錢獎懲來避免雙挖礦問題，節(jié)點的安全由面包師自行維護。

除了后置懲罰，至今的解決方案，都是要犧牲一定程度的性能、去中心化原則，合約機制的設(shè)計也更復(fù)雜。

這種復(fù)雜性體現(xiàn)在什么地方呢？

在 PoS 中，節(jié)點的角色和職責(zé)眾多：除了和PoW中類似的出塊節(jié)點 （Miner）， 還有驗證節(jié)點（Validator） 為區(qū)塊背書 ，守護獵人（State Guardian） 抓“壞人”。

守護獵人的 stake 有一定的鎖定期，一般是需要X個區(qū)塊之后才可以拿到質(zhì)押的幣，這樣可以給守護獵人足夠時間來抓住非法節(jié)點。

此外，雖然項目方可以通過前置節(jié)點篩選選擇信任的節(jié)點，但是中心化的問題依然不可避免：

· 如果網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，利益超過了組織的信譽，那么，被選出的實名節(jié)點不一定仍然可信；

· 節(jié)點是否有足夠的動機或技術(shù)能力去保證自身的反攻擊能力，從而保證網(wǎng)絡(luò)安全；

· 節(jié)點數(shù)量有限，伸縮性不夠，仍然是中心化；