通常比特幣愛好者對狗屎幣世界中正在發生的事情不太感興趣，但最近幾個月，以太坊的合併和向權益證明的過渡也成為比特幣社區的一個大話題。當然，這與比特幣網絡本身無關，但我認為這次“更新”還是值得關注的。既然以太坊已經完全清除了與工作量證明（PoW）相關的“不可持續”和“浪費”的做法，我們可以期待在敘事戰中脫掉手套，我認為比特幣人應該準備好罷工了回來。 。
Bitcoiner 的權益證明指南了解PoS 的工作原理是了解PoW 和PoS 之間的差異以及各自權衡的好方法。雖然我不止一次遇到過反對PoS 的高層論據——它意味著不同級別的訪問，更加中心化和寡頭——我承認，如果不研究細節，這可能看起來不太令人信服。但是，當你深入研究PoS 算法時，你會看到所有這些屬性是如何從其核心原則自然發展而來的。因此，如果你想知道PoS 算法是如何工作的，以及為什麼它會產生這些屬性，請繼續閱讀
解決雙花問題
我建議首先簡要概述我們正在嘗試解決的問題。假設我們有一大群加密貨幣網絡參與者試圖維護一個去中心化的賬本。問題是：如何將新交易添加到每個人的賬本副本中，以便每個人都同意哪些新交易是“正確的”？PoW 相當優雅地解決了這個問題：交易被分組到塊中，每個塊的創建都涉及大量的計算工作。所需的工作量可以根據參與者的數量和他們使用的設備增加或減少，因此平均每十分鐘產生一次塊，這使每個新塊有足夠的時間在創建下一個塊之前通過網絡傳播。
但是假設我們現在想要放棄Satoshi 的關鍵思想，該思想首先使這樣的分佈式系統成為可能。厭倦了這些ASIC，吵鬧而煩人，消耗的能量比喬治·索羅斯、比爾·蓋茨和希拉里·克林頓的私人飛機加起來還要多。僅通過討論這個問題，有沒有辦法明確地同意哪些交易應該被認為是真實的？
以太坊的股權證明通過兩個關鍵組件解決了這個問題。首先是不時發出一種“複選框”，其目的是確保網絡中的每個人在各個時間點對系統都是“真實的”。創建這樣的檢查點需要2/3 的多數，因此可以保證大多數驗證者同意當時賬本的真實狀態。第二個組成部分是懲罰用戶在網絡中引入歧義，這個過程稱為slashing。例如，如果驗證者對現有的側鏈進行分叉或投票（類似於51% 攻擊），他們將被削減，也就是說，他們將全部或部分失去他們的質押品。
這給我們帶來了PoS 的第一個原則，即PoS 是基於一個抑制系統（基於懲罰）。這與比特幣和工作量證明算法形成鮮明對比，後者是一種積極的激勵系統（基於獎勵）。在比特幣中，礦工可以嘗試打破規則——格式不正確的區塊、無效交易等——但這些區塊將被簡單地忽略。最壞的情況是浪費能源。礦工也可以自由地從任何舊區塊形成新的分支，但如果沒有網絡51% 的哈希能力，這些分支將永遠趕不上主分支，這再次意味著浪費能源。對於從事此類活動的礦工，無論是否有意，無需擔心丟失你增持的比特幣或礦機。比特幣礦工可能會選擇自擔風險，而不是生活在恐懼中。
對於以太坊驗證者來說，世界看起來完全不同。驗證者沒有努力工作並因使網絡更安全而獲得獎勵，而是不做任何工作，但必須小心他們的節點不會關閉或離線，以免他們失去全部或全部儲蓄部分。在對網絡進行任何更改時，驗證者的第一個衝動將是遵守其他人正在做的事情– 否則他會冒著積蓄的風險。成為驗證者意味著每天如履薄冰。
恐懼將使驗證者受到控制
順便說一句，根據Vitalik 的常見問題解答，負激勵系統的存在是權益證明的“優勢”之一：
在PoS 相對於PoW 的“優勢”列表中突出顯示：“這就像參與51% 的攻擊會燒毀你的ASIC 農場。”
那麼，削減實際上是如何在技術層面上發揮作用的呢？我們不應該首先創建一個所有驗證者的列表，以便我們有一些東西可以“削減”嗎？答案是肯定的。要成為以太坊中的驗證者，你必須首先將ETH 作為“質押”的質押品轉移到一個特殊的地址。該列表不僅用於削減，還用於投票，因為形成控制塊需要2/3 多數。
永久保留所有驗證者的列表有幾個有趣的含義。加入他們有多難？走出去有多難？驗證者可以對其他驗證者的狀態進行投票嗎？這就引出了PoS 的第二個原則，即PoS 是一個分層系統。
打開驗證器的第一步是將一些ETH 存入特殊合約的地址以進行質押。多少以太幣？在撰寫本文時，所需的最低金額為32 ETH，或約42500 美元。相比之下，一台像樣的比特幣礦機通常要花費數千美元，而家用礦機只需幾百美元就可以從一台S9 開始。公平地說，以太坊的高額入場費有一個技術原理，因為更高的質押品減少了驗證者的數量，從而降低了吞吐量。
所以，事實證明，存款費用很高，但至少每個擁有32 ETH 的人都可以隨時自由加入或離開，對吧？並不真地。大量驗證者同時進入或退出可能會產生安全風險。例如，如果大部分網絡同時退出，他們可以雙花最終區塊，重播他們從未退出的分叉，並且不會在任何鏈上被削減。為了減輕這種風險，在入口和出口處設置了帶寬限制。此限制當前設置為每個epoch（即每6.4 分鐘）的max(4,|V|/65536) 個驗證器，並且對於登錄和註銷都是相同的。這大致相當於每十個月擁有一套完整的驗證器。順便說一句，即使 目前驗證者可以發布退出交易並停止驗證，實際提取凍結資金的代碼甚至還沒有編寫。結果就像一首關於“加州旅館”的歌……
最後一點是關於批准新驗證者的激勵措施。假設你是一家大型穩定公司的股東，該公司每季度定期派發股息。免費贈送新股有意義嗎？當然不會，因為這會稀釋所有現有股東的股息。PoS 中存在類似的激勵結構，因為每個新驗證者都會稀釋所有現有驗證者的收入。理論上，驗證者可以簡單地審查每筆添加新驗證者的交易，但在實踐中，我認為這種愚蠢的方法不太可能。這將非常引人注目，並會立即破壞以太坊“去中心化”的形象，也可能會降低其代幣的價格。我認為可以改用更微妙的方法。例如，這些規則會隨著時間的推移而逐漸改變，使得成為驗證者變得更加困難，從而證明了網絡的“安全性”或“效率”。任何以犧牲新驗證者為代價來豐富現有驗證者的政策都意味著經濟利益因素，無論是否大聲說出來。在這裡，我們可以開始理解為什麼PoS 傾向於走向寡頭政治。
Casper算法概述
既然我們知道了PoS 背後的一般策略，那麼該算法實際上是如何工作的呢？與斷點和slashing 相關的基本思想在一個名為Casper 的算法中得到了闡述。我們將從它開始。Casper 本身實際上並沒有定義任何關於如何生成塊的內容，而是定義了一個通用方案，用於在已經存在的區塊鏈樹上覆蓋檢查點和斜線策略。
首先，選擇某個任意常數C 作為斷點之間的間隔，它決定了斷點之間通過的塊數。例如，如果C=100，則斷點將出現在塊0、100、200 等中。然後所有節點投票決定哪個控制塊應該是下一個“批准”（或“合理”，如果更接近原始合理）控制點。驗證者實際上不是為每個塊單獨投票，而是投票給檢查點對(s,t)，這些檢查點將一些先前合理的源s 鏈接到一些新的目標檢查點t。如果檢查點(s,t) 收到2/3 的大多數驗證者，則t 成為新的有效檢查點。
在此圖中，函數h(b) 代表“檢查點高度”——例如，一個塊的高度是100 的倍數。你可能已經註意到，並非每100 個塊都會被批准為檢查點：這個如果投票在某個高度或其他高度失敗，則可能不會發生。例如，假設在高度200 處，兩個單獨的控制點各獲得50% 的選票。由於兩次投票是一種嚴重的違法行為，可以通過削減來懲罰，除非一部分驗證者自願被削減以獲得2/3 的選票，否則係統將陷入困境。每個人的解決方案是簡單地“跳過”斷點200 並在塊300 處“重試”。
如果一個檢查點被批准，並不意味著它已經完成。一個航路點被認為是最終確定的，它必須在下一個可能的高度接連出現另一個經批准的航路點。例如，如果斷點0、200、400、500 和700 已被批准並鏈接，則只有斷點400 將被視為“已完成”，因為它緊隨其後，沒有間隙，是另一個已批准的檢查點。
由於術語非常精確，讓我們簡要回顧一下這裡討論的三個類別。“檢查點”是在高度C*n 處添加的任何塊，因此在C=100 時，高度為0、100、200、300 等的每個塊都將是一個斷點。即使在高度200 創建了兩個塊，它們都將是“檢查點”。如果一個檢查點是高度為0 的根塊或2/3 的驗證者投票鏈接某些先前批准的和當前的檢查點，則該檢查點被認為是“合理的”。如果一個批准的修正隨後鏈接到下一個可能高度的下一個批准的修正，則該修正被認為是“最終確定的”。並非每個里程碑都必須獲得批准，也不是每個批准的里程碑都會最終確定，
Casper 協議中的Slashing 規則
Casper 中的slashing 規則的設計方式是，兩個最終的檢查點不可能存在於兩個獨立的分叉中，除非至少1/3 的驗證者冒充slash 違反了規則。換句話說，只有最終確定的斷點才應該被認為是明確的“真實”塊。甚至可能在一個分叉的兩個分支上都出現兩個已批准的檢查點，但不會出現兩個最終確定的檢查點。也無法保證下一個最終確定的檢查點將在何時何地發生；在區塊鏈分裂的情況下，你必須坐下來等待一個最終區塊出現在一個分支上——然後你就會知道這是“正確的”分支。
Casper 有兩個強制執行此屬性的slashing 規則：
第一條規則禁止對具有相同目標高度的斷點進行兩次投票，因此如果驗證者對目標高度為200 的兩個不同斷點進行投票，則會受到斜線的懲罰。這條規則的目的是防止鏈分裂成兩個相同高度的不同批准檢查點，因為這需要總驗證人投票的2/3 + 2/3 = 4/3，這意味著至少1/3驗證者違反了削減規則。然而，正如我們之前看到的，可以在給定的區塊高度“跳過”批准的控制點。是什麼阻止了區塊鏈在兩個不同的目標高度分裂？例如，斷點200 不能在不暴露任何人的情況下分支到高度300 和400 處的已批准斷點嗎？
這就是第二條規則發揮作用的地方，它基本上可以防止驗證者以不一致的“三明治”方式對檢查點進行投票。也就是說，如果驗證者同時投票支持300→500 和200→700，這將是違規行為，將受到懲罰。在區塊鏈分裂的情況下，如果一個分支有一個最終的檢查點，那麼另一個分支不能在更高的高度有一個已批准的檢查點，除非至少1/3 的驗證者違反規則#2。為了理解為什麼，假設區塊鏈分裂為批准的檢查點500→800 和500→900，然後在第一個分支的某個時間點形成了最終的檢查點1700→1800。由於1700 和1800 都只能在fork #1 上獲得批准（假設 沒有人違反第一條削減規則），2 號分叉在1800 年之後形成批准的檢查點的唯一可能性是，如果在高度1800 之間存在某種鏈接，這是一個經過驗證的鏈接。但是由於這樣的投票將是鏈接1700→1800 的“三明治”，並且需要2/3 的選票，而2/3 的選票已經收集了1700→1800，那麼至少有1/3 的驗證者將不得不打破規則＃2。Casper 的官方描述有一個可視化的K線走勢圖來描述這個屬性：但是由於這樣的投票將是鏈接1700→1800 的“三明治”，並且需要2/3 的選票，而2/3 的選票已經收集了1700→1800，那麼至少有1/3 的驗證者將不得不打破規則＃2。Casper 的官方描述有一個可視化的K線走勢圖來描述這個屬性：但是由於這樣的投票將是鏈接1700→1800 的“三明治”，並且需要2/3 的選票，而2/3 的選票已經收集了1700→1800，那麼至少有1/3 的驗證者將不得不打破規則＃2。Casper 的官方描述有一個可視化的K線走勢圖來描述這個屬性：
就是這樣——只要遵循Casper 的規則，你會沒事的
只要遵守規則，你的積蓄就不會用完
看起來很簡單，對吧？當然，我確信PoS 只會將削減作為維持共識的最後手段，而不是作為一種勒索機制來迫使驗證者以某種方式行事……對吧？
這給我們帶來了PoS 的第三個原則：沒有規則。“規則”是其他人所說的。
– 我們所有的遊戲遲早都會變成開爾文球。– 不要作弊
今天，你的節點可能在技術上遵循Casper 的所有規則，明天你的儲蓄可能會被提取– 僅僅是因為你正在做其他人不喜歡的事情。你上次批准了紅色交易的團隊嗎？明天，由“藍衣隊”組成的大多數人可能會削減你的押金。或者，相反，你錯過了太多的紅色交易？那麼明天由“紅軍”組成的多數人可以懲罰你的審查制度。這種對參與者進行直接經濟處罰的機會遠遠超過了OFAC（美國外國資產控制辦公室）的適度審查權力。PoS 就像一場持續的墨西哥對抗，其中總是隱含著削減的威脅。
如果雙方都在有爭議的硬分叉中硬編碼另一個分叉的驗證規則，我不會感到驚訝，以防萬一他們想懲罰任何加入“錯誤”一方的人。當然，這將是“核”選項，而且與核武器一樣，雙方只能在報復中選擇報復。我建議大多數個人驗證者是“中立的”，因為他們更喜歡經濟上的自我保護而不是政治上的自我犧牲，但如果他們認為這是避免被削減的正確舉措，他們可能會表面上“站在一邊”。
現在是幾奌？
現在，有了對斷點和罰沒的基本了解，我們可以直接進入以太坊中使用的稱為Gasper 的算法。顧名思義，這是我們已經討論過的Casper 和GHOST（一種在檢查點之間選擇“最佳”區塊鏈的策略）的組合。
關於Gasper，首先要了解的是時間本身是主要的自變量。現實世界的時間被劃分為12 秒的單位，稱為“槽”，每個槽最多包含一個塊。這些槽依次形成更大的組，稱為epoch，每個epoch 指的是一個檢查點。每個epoch 包含32 個時隙，時長為6.4 分鐘。值得注意的是，與PoW 相比，這種範式顛倒了時間和出塊之間的因果關係。在PoW 中，創建塊是因為找到了一個有效的哈希值，而不是因為距離上一個哈希值已經過去了足夠長的時間。但是在Gasper 中，由於已經有足夠的實時時間移動到下一個插槽，所以會產生塊。我只能猜測 這樣的系統原則上會遇到什麼複雜的同步錯誤，特別是如果我們談論的不是在一台計算機上運行的一個程序，而是全球數以萬計的計算機試圖相互同步。只能希望以太坊的開發者熟悉程序員對時間的誤解清單。
現在，假設你正在運行一個驗證器節點並首次同步區塊鏈。僅從某些塊引用某些時間戳的觀察來看，你如何確定這些塊實際上是在那個時候產生的？如果塊的形成不涉及任何額外的工作，那麼一群惡意的驗證者難道不能從創世塊本身完全模仿一個假區塊鏈嗎？如果你看到兩個相互競爭的區塊鏈，你如何確定哪一個是真實的？
這給我們帶來了PoS 的第四個原則，即PoS 依賴於主觀真理。根本沒有客觀的方法可以在兩個相互競爭的區塊鏈之間進行選擇，網絡上的任何新節點最終都必須信任一些現有的事實來源才能解決任何歧義。這與比特幣形成鮮明對比，在比特幣中，“真正的”鏈始終是完成工作最多的鏈。一千個節點可以將你指向分支X，但如果一個節點廣播分支Y 並且它包含更多工作，則Y 是真實狀態。區塊頭可以證明自己的價值，完全不需要信任。
通過依賴主觀真理，PoS 帶回了對信任的需求。我承認我可能有些偏見，所以如果你想听聽不同的觀點，那麼在這篇文章中Vitalik 描述了他的觀點。我也承認，在實踐中，考慮到Casper 的規則，區塊鏈分裂似乎不太可能，但即便如此，我還是對比特幣感到安心，這種可能性根本不可能。
區塊創建和投票
既然我們已經熟悉了slot 和era，那麼單個區塊是如何創建和投票的呢？在每個epoch 開始時，全套驗證者“隨機”分成32 組，每個組一組。在每個插槽中，“隨機”選擇一個驗證者作為區塊生產者，其餘的作為投票者（或“證明者”）。我將“隨機”括在引號中，因為該過程必須是確定性的，因為每個人都必須明確同意同一組驗證器。然而，這個過程也必須是不可利用的，因為作為一個區塊生產者是一個非常特權的職位，因為可以通過礦工可提取價值獲得額外的利潤，或者現在稱為最大可提取價值。
一旦創建了一個塊，其他驗證者如何投票或“驗證”它？區塊提案應該在時隙的前半部分（6 秒）進行，並且在後半部分進行評分，所以理論上評分者應該有足夠的時間來投票給他們時隙的區塊。但是，如果區塊的作者離線、無法連接或構建在壞區塊上，會發生什麼？評估者的工作不一定是對該插槽的區塊進行投票，而是在給定時間從他們的角度來看哪個區塊“看起來最好”。在正常情況下，這通常是來自給定槽的塊，但如果出現問題，可能是較舊的塊。但從技術角度來看，這意味著什麼：哪個區塊“看起來最好”？這就是GHOST 算法的用武之地。
GHOST 代表“Greediest Heaviest Observed SubTree”，是一種“貪婪”遞歸算法，用於查找具有最新“最近活動”的塊。本質上，該算法將所有最近的塊視為一棵樹並遍歷樹，貪婪地選擇在該子分支中具有最多上漲證明的分支。只有每個驗證者的最新證明才計入此數量，最終該過程在其中一個葉塊處停止。
證明不僅是對當前最佳區塊的投票，而且是對導致該區塊的最新里程碑的投票。值得注意的是，在Gasper 中，斷點基於epoch，而不是塊高度。每個epoch 正好指代一個控制塊，它可以是該epoch 第一個時隙中的塊，或者如果省略了該時隙，則是該時隙之前的最後一個塊。如果epoch 以某種方式錯過了所有時隙，則同一個塊理論上可以是兩個不同epoch 中的檢查點，因此使用epoch-block 對錶示檢查點。在下圖中，EBB 代表Epoch Boundary Block，代表特定epoch 的檢查點，
與Casper 一樣，一個檢查點在證明總數超過2/3 時獲得批准，如果在下一個epoch 緊接著另一個批准的檢查點緊隨其後，則最終確定。下圖顯示了此投票如何進行的示例。
Gasper 的slashing 有兩個條件，類似於Casper 的規則：
你不能在同一個時代投票兩次。驗證者投票支持的檢查點不能與他們投票支持的其他時代的其他檢查點相交或重疊。
儘管基於epoch 而不是塊高度，Casper 的規則仍然確保兩個最終的檢查點不會在不削減1/3 的驗證者的情況下出現在區塊鏈的不同分支上。
還值得注意的是，證明直接包含在塊本身中。就像在PoW 中一個塊用自己的哈希證明它的身份一樣，PoS 中一個完整的檢查點通過它過去的所有證明來證明它的身份。當有人違反懲罰規則時，這些不良證明會包含在確認違規的區塊中。為了激勵懲罰違規者，對包含違規行為的區塊生產者也有少量獎勵。
分叉
想想在分叉事件中會發生什麼是很有趣的。讓我簡單提醒一下，分叉是共識規則的變化，分為硬分叉和軟分叉兩種。在硬分叉中，新規則不向後兼容，如果不是每個人都支持並安裝實施新規則的更新，這可能會導致兩個相互競爭的區塊鏈。在軟分叉中，新規則比舊規則更具限制性，但仍保持向後兼容。一旦超過50% 的礦工或驗證者開始應用新規則，共識機制就會在不分裂區塊鏈的情況下切換。軟分叉通常與升級和新型交易相關，但從技術上講，它們還包括51% 多數人施加的任何類型的審查。PoS 中還有第三種類型的“分叉”，在PoW 中沒有：在不改變其規則的情況下拆分區塊鏈。但由於我們已經討論過這個，我們將重點關注硬分叉和軟分叉。
讓我們從最簡單的情況開始：一個單獨的有爭議的硬分叉。我所說的有爭議是指在政治上劃分用戶的變化。錯誤修復或較小的技術更改不太可能引起爭議，但可能會引起驗證獎勵的更改。如果硬分叉足夠有爭議，它可能會導致區塊鏈的分裂，並且可以通過用戶出售一條鏈併購買另一條鏈來經濟地解決。這類似於2017 年比特幣現金硬分叉，似乎有一個明顯的贏家：
現在假設驗證者有一天認為他們沒有得到足夠的報酬，並決定將他們的獎勵從5%/年增加到10%/年。這將是一個明顯的權衡，有利於驗證者，而犧牲非驗證者。在區塊鏈分裂的情況下，哪個分支將獲勝？
這就引出了PoS 的第五條原則：金錢就是力量。在流通的1.2 億個ETH 中，超過10% 是Staking，如下圖所示。
如果驗證者和非驗證者之間發生有爭議的硬分叉，假設所有非驗證者都以市場價格拋售新鏈的代幣，並且所有驗證者都以市場價格拋售舊鏈的代幣，那麼理論上舊鏈會贏，因為大部分ETH 仍將屬於非驗證者（90% 對10%）。但還有幾點需要考慮。首先，在任何分裂之後，驗證者仍將“控制”兩個區塊鏈。如果驗證者可以影響另一條鏈，那麼他們可能有興趣看到它失敗。其次，還有一個“核選項”，正如我上面提到的，新鏈可以削減（刪除質押品）所有繼續驗證舊鏈的人，以迫使他們加入新鏈。最後，驗證者可能會對網絡的其餘部分產生重大的社會和政治影響。如果Vitalik、以太坊基金會和交易所一致決定他們將提高質押獎勵，我很難相信普通的以太坊用戶和驗證者將能夠保留舊版本的區塊鏈，並讓通過購買壓力它更有價值。
繼續討論軟分叉，有爭議的軟分叉會發生什麼，例如滿足OFAC 審查要求的軟分叉？驗證器相當中心化，如下圖所示。
與PoW 不同，礦工可以通過點擊幾個按鈕從一個礦池切換到另一個礦池，在以太坊中，驗證者與質押合約綁定，直到他們的退出交易得到處理。如果Lido 和主要交易所被迫審查某些交易，他們將輕鬆克服決定檢查點所需的2/3 多數。我們之前看到Vitalik 和其他ETH 驗證者如何嘗試通過形成自己的反審查硬分叉來對抗“審查”軟分叉，從而在此過程中破壞審查員的承諾。但是，即使他們設法創建了一個成功的分叉，很多價值也會在這個過程中被破壞，無論是在削減還是由於失去信任。
綜上所述
在本文中，我們研究了PoS 如何使用Gasper 解決雙重支出問題，這是一個名為Casper 的協議（它定義了有關檢查點和罰沒的規則）和一個名為GHOST 的“最佳區塊”選擇規則的組合。讓我簡單提醒一下，Gasper 將時間劃分為稱為slot 的單位，每個slot 最多可以包含一個塊，並且slot 被分組為epoch，其中每個epoch 指的是一個控制點。如果2/3 多數投票支持某個里程碑，則該里程碑將獲得批准（或“合理”，原為合理），並且如果以最小間隔連續成功批准兩個里程碑，則第一個里程碑被視為最終確定。一旦檢查點最終確定，就不可能最終確定平行鏈，
在這個過程中，我們確定了PoS 的五項原則：
PoS 使用負（基於懲罰）的激勵結構。PoS 是一個具有不同訪問級別的系統。PoS 沒有明確的規則。PoS 依賴於主觀真理。在PoS 中，金錢就是力量。
這些原則中的每一個都與PoW 相反：
PoW 使用積極的（基於獎勵的）激勵系統。PoW 是一個沒有訪問級別的系統：任何人都可以隨時開始或停止挖礦。在PoW 中，改變規則的分叉會被忽略。PoW 依賴於客觀事實。在PoW 中，礦工為用戶服務，自己的權力很小。
我相信每個人都應該努力創造一個他自己想要生活的世界。如果像我一樣，你想生活在一個沒有不同級別訪問權限的世界裡，你可以控制你的錢，努力工作得到回報，被動擁有是一種責任，你的錢將在很長一段時間內保持其價值，而無需改變誰是一時興起，那麼你應該仔細考慮PoW 和PoS 之間的妥協，並為你想要生活的原則而奮鬥。
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