摘要：而比特幣卻在沒有政府或公司背書的情況下，在過去一年內(nèi)支持了相當(dāng)于一萬億美元的交易。除此之外，還有一點值得注意的是，很多人誤以為比特幣的擴(kuò)容問題是機(jī)制的局限性造成的。因此，公鏈項目在早期使用是避免共識中心化，保護(hù)區(qū)塊鏈核心價值的明智選擇。

在傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)公司或金融機(jī)構(gòu)中，如果一家公司，在一年之內(nèi)，被委托的交易結(jié)算的總量為萬億美元的話，這家公司要么擁有可靠的技術(shù)和雄厚的資本，要么就是其它大公司及政府為其信用來做背書。而比特幣卻在沒有政府或公司背書的情況下，在過去一年內(nèi)支持了相當(dāng)于一萬億美元的交易。這是因為比特幣的工作量證明（PoW）機(jī)制確保了全世界的比特幣礦工以點對點的方式去分布式地維護(hù)賬本，且保證了其正確性和不可篡改性。

實際上，PoW 協(xié)議并不完美，它在運行過程中需要消耗大量的能量來計算哈希函數(shù)的結(jié)果，以保護(hù)區(qū)塊鏈系統(tǒng)不被攻擊。很多人認(rèn)為這是一種“無用的能源消耗”。為了避免這種消耗，股權(quán)證明協(xié)議(PoS)便作為替代方案被提出。包括以太坊在內(nèi)的幾個著名的項目也開始探索股權(quán)證明協(xié)議(PoS)， 甚至有人認(rèn)為，PoS協(xié)議在未來將完全取代PoW協(xié)議。

但是，在對 PoS 協(xié)議進(jìn)行了深入的技術(shù)剖析之后，我們會發(fā)現(xiàn)：在一個公鏈項目的早期階段，PoS 協(xié)議會帶來很多問題，而這些問題在PoW協(xié)議下是可以避免。首先，使用PoS協(xié)議啟動主網(wǎng)的公鏈項目，會不可避免地存在共識中心化的問題，因為主網(wǎng)上線的時候股權(quán)分布往往是相對集中的。此外，純 PoS 協(xié)議還面臨著遠(yuǎn)程攻擊(Long Range attack)的威脅。最嚴(yán)重的遠(yuǎn)程攻擊會導(dǎo)致新加入的節(jié)點必須信任一些中心化的網(wǎng)站給出的信息，而這會導(dǎo)致 PoS 公鏈成為一個本質(zhì)上中心化的網(wǎng)絡(luò)。去使用PoW協(xié)議啟動主網(wǎng)的區(qū)塊鏈則可以實現(xiàn)分散的共識，從而避免這些問題。當(dāng)PoW公鏈經(jīng)過一段時間的發(fā)展，股權(quán)分布相對分散以后，還可以選擇PoW/PoS復(fù)合機(jī)制。

除此之外，還有一點值得注意的是，很多人誤以為比特幣的擴(kuò)容問題是PoW機(jī)制的局限性造成的。我們經(jīng)常在媒體網(wǎng)站或白皮書中看到這樣的句子，“比特幣因為使用了PoW機(jī)制，所以只能處理每秒3-7筆交易”。而事實上，經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，例如，GHOST, Conflux 這樣的PoW算法可以顯著提高出塊效率，達(dá)到每秒處理數(shù)千筆交易，且每筆交易都能得到全網(wǎng)節(jié)點的驗證。

關(guān)于PoW和PoS之間的主要區(qū)別，就是在于如何確定區(qū)塊鏈共識中的投票權(quán)。 在PoW中，系統(tǒng)中的投票權(quán)與節(jié)點的計算能力成正比。每秒可以計算哈希函數(shù)次數(shù)越多，節(jié)點就越有可能贏得區(qū)塊鏈中下一個區(qū)塊的出塊權(quán)。而在PoS中，系統(tǒng)的投票權(quán)與持有的股權(quán)比例成正比。節(jié)點擁有資金越多，能為確定的下一個區(qū)塊投的票數(shù)就越多。

對于一個公有鏈來說，其上線初期往往是股權(quán)最集中的時候。在主網(wǎng)上線伊始，創(chuàng)始塊中分配的幣絕大多數(shù)屬于項目方和私募投資人，而這些人的數(shù)量往往非常有限。對于PoW共識機(jī)制，初始股權(quán)的集中不會帶來安全性問題，因為它的出塊和安全性不依賴于股權(quán)持有的分散，而是依賴于算力的分散。對于使用反 ASIC 礦機(jī)的挖礦算法的公有鏈來說，任何人只要擁有顯卡和網(wǎng)絡(luò)就可以成為礦工，這有助于促進(jìn)更多人參與挖礦，實現(xiàn)早期算力的分散。只要超過50%的算力來自于誠實的礦工，區(qū)塊鏈中的交易就是安全不可逆轉(zhuǎn)的。

然而，在PoS共識機(jī)制下，股權(quán)集中會導(dǎo)致共識協(xié)議的參與者集中。區(qū)塊鏈的出塊權(quán)只能由少數(shù)在創(chuàng)世塊中擁有股權(quán)的玩家決定。如果這些人合謀對區(qū)塊鏈進(jìn)行攻擊，則完全可以成功的實現(xiàn)雙花攻擊(Double spending attack). 盡管開發(fā)者和投資人出于利益考慮不會進(jìn)行這樣的攻擊來摧毀他們自己的公鏈，但PoS公鏈也無可避免的在主網(wǎng)上線后就被這些人壟斷和支配。更糟的是，如果出塊可以獲得大量獎勵和交易費用，這些壟斷者就會將大量股權(quán)牢牢控制在自己的手里，使得PoS公鏈成為一個本質(zhì)上由巨頭控制的網(wǎng)絡(luò)。

我們不要忘了，區(qū)塊鏈的核心價值是什么？是去中心化的共識協(xié)議，保證了區(qū)塊鏈系統(tǒng)中每筆交易的正確性、不可篡改性。如果共識協(xié)議無法保證參與者的分散，區(qū)塊鏈就無法做到無需信任的安全性，那么區(qū)塊鏈和傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)相比就沒有任何優(yōu)勢了，甚至傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)能做得更經(jīng)濟(jì)更高效。因此，公鏈項目在早期使用PoW, 是避免共識中心化，保護(hù)區(qū)塊鏈核心價值的明智選擇。

在一個公有鏈中，一個攻擊者如果擁有當(dāng)下足夠多的算力或股權(quán)，無疑是可以打破公有鏈安全性完成攻擊的。但是在 PoS 公鏈中，如果攻擊者獲得了一些賬戶的私鑰，這些私鑰在歷史上某一時刻控制了超過51%的股權(quán)，也可以完成攻擊，這種攻擊的方式被稱為長程攻擊（Long Range Attack）。

在長程攻擊中，攻擊者首先獲得一些私鑰，只要這些私鑰在歷史上曾經(jīng)獲得了足夠多的股權(quán)，便可以從這一時刻開始分叉進(jìn)行 51% 攻擊，制造一條分叉鏈出來。而 PoS 的出塊不需要進(jìn)行工作量證明，攻擊者可以短時間內(nèi)讓重寫歷史的分叉鏈追趕上原本的主鏈，從而造成PoS鏈的分叉和防篡改性被打破。

攻擊者能夠取得這些私鑰不是天方夜譚。如果PoS公鏈的早期投資人在二級市場將持有的代幣賣掉后，將賬戶私鑰賣給攻擊者，攻擊者就可以從創(chuàng)世塊進(jìn)行長鏈攻擊，從而可以打破一個鏈的安全性。如果一些投資者追求短期收益而非價值投資，攻擊者從他們手里獲得私鑰就成為了一個可能的事情。

而為了應(yīng)對長程攻擊，則有各種各樣的解決方案被提出：例如使用密鑰演化算法更新密鑰，以避免密鑰被盜。但是如果早期投資者一開始就決定通過出售私鑰獲利，那么他完全可以保留密鑰種子以繞開這一限制。還有一些解決方案基于這樣一個事實：如果攻擊者挖了一條完全不同的鏈，長期在系統(tǒng)中運行的節(jié)點或許有能力探測出這種異常。但是，這些方案依然存在如下問題：

PoS 長程攻擊造成的分叉與 PoW 的分叉有所不同。PoW 的分叉鏈難以獲得比特幣全網(wǎng)算力，比特幣礦工很容易從總算力中辨別誰是真正的比特幣。鑒于PoS共識協(xié)議在實際運行時，絕大多數(shù)股權(quán)持有者只是區(qū)塊鏈的使用者，并不會一直運行一臺服務(wù)器。攻擊者只要在一個歷史節(jié)點擁有了相當(dāng)與PoS實際參與者的股權(quán)比例，就可以制造出一條難以辨別的分叉鏈出來。配合女巫攻擊（Sybil Attack），攻擊者可以從區(qū)塊歷史和節(jié)點數(shù)量上都獲得和被攻擊主鏈接近的水平，令新加入的節(jié)點無法區(qū)分，只能通過人工指定的方式選擇。這樣新參與者必須咨詢受信任節(jié)點來安全地加入系統(tǒng)，這一問題被稱為“主觀依賴”（Weak Subjectivity）

無利害攻擊（Nothing at Stake）是另一種PoS攻擊方式。當(dāng)一個 PoS 鏈因為網(wǎng)絡(luò)延遲、長程攻擊或其他原因出現(xiàn)分叉時，PoS 礦工可以選擇在兩個分叉的鏈上同時出塊，以獲取最大收益。而這違反了共識協(xié)議。

在 PoW 鏈中，如果一個礦工想同時在多個分叉上挖礦，就必須將自己的算力分散在多個分叉上，所有分叉上分配的算力總和不會超過礦工擁有的總算力。對于多數(shù)礦工而言，將自己的全部算力投入到協(xié)議指定的鏈上是最優(yōu)的選擇。

然而，在 PoS 多個分叉上同時出塊所帶來的額外成本可以忽略不計，而選擇同時出塊可以保證無論哪一條分叉鏈最終勝出都可獲得收益。如果礦工遵守共識協(xié)議，只在協(xié)議指定的鏈上挖礦。一旦這個鏈被丟棄，礦工將會失去挖礦獎勵。只追求挖礦收益最大化的礦工會在兩邊同時參與，不惜因此打破協(xié)議——這會導(dǎo)致鏈長時間維持分叉的狀態(tài)。

與長程攻擊不同，精巧的激勵機(jī)制設(shè)計可以避免這一攻擊。但無利害攻擊依然表明讓PoS鏈正確地運行是一件很困難的事情。

雖然 PoS 具有節(jié)省能源等優(yōu)勢，從而很多項目表示將采用PoS。但我們在分析區(qū)塊鏈安全性假設(shè)后發(fā)現(xiàn)，避免了計算“無用的哈希”之后會引入很多攻擊情形，而且目前沒有很完美的解決方案。誠然PoS有能源效率的優(yōu)勢，但也帶來了很多安全性威脅。在PoS很好地解決這些威脅之前，PoW消耗的能源，就像和平時期國家軍隊用掉的軍費一樣，阻擋了很多潛在的威脅。最重要的是，其中許多威脅在區(qū)塊鏈項目早期顯得尤其致命。這也是我們?yōu)槭裁聪嘈判碌墓滍椖繎?yīng)該從PoW開始。

本文作者為Conflux算法研究員 李辰星