采用PoS共识的区块链项目在数量和市值规模上落后于采用PoW共识的项目。为什么在现有成熟理论的基础上，新PoS项目的进展仍然不及预期？PoS共识是否有足够的优势让人们接受它，并在区块链共识领域占据一席之地？“跑马经济”是区块链未来发展的新方向吗？

原标题：《PoS 共识机制及设计哲学——区块链技术引卷之五》作者：宋、孙汉儒特别顾问：沈波、林、通信与证券研究所分不实数码联合出品

摘要

在基于PoS共识的网络中，所有成为“验证者”的节点都可以获得生产。与工作量相比，PoS共识的优势包括降低能耗、保证安全、降低集中化风险。

早期的PoS共识面临着“没有利益”的危机，区块链容易出现分歧。挥剑机制通过对不诚实节点增加惩罚措施，解决了以往PoS共识的无利益攻击。移动检查点和上下文感知机制可以防止针对PoS共识的“远程攻击”。

根据权利和利益在共识经济模型中的不同作用和重要性，我们可以将PoS共识分为四类：纯PoS共识、混合PoS共识、d PoS和唯权利概念，一般只讨论前两者为PoS共识。以PoS为代表的“股权经济”是一种不同于PoW共识的经济体系。一般采用通货膨胀经济模型，抵押通参与网络共识过程才能获得利息收入。因为通货膨胀，“持币待涨”的守财奴策略不再适用于新PoS共识。所有的持有人都要参与到线上的共识过程中，基于这种需求会有更多的金融应用场景出现。

我们还可以从经济学的角度来分析PoS网络的安全性。当初始分配合理时，PoS可以保证不低于工作量证书的“经济”安全。但PoS经济模式也未能解决垄断和集权的问题。

从长远来看，基于PoS共识的区块链网络将发展到与PoW共识区块链相蓑衣网小编2022 同的规模。

风险提示：集中化风险、技术进步不及预期、市场波动风险。

正文

2012年，Scott Nadal和SunnyKing在一篇论文中提出了PoS equity certificate，这是中本聪工作量证书的替代共识。同年推出了第一个Peercoin，它将PoS概念集成到共识机制中。在随后的几年中，一些大型区块链项目如以太坊和宇宙都提出了自己的PoS解决方案。但7年后的今天，主网内PoS一致(不含DPoS和PoW PoS混合一致)的区块链项目，在数量和市值规模上都落后于PoW一致的项目。为什么在现有成熟理论的基础上，新PoS项目的进展仍然不及预期？PoS共识是否有足够的优势让人们接受它，并在区块链共识领域占据一席之地？“跑马经济”是区块链未来发展的新方向吗？

1股权证明，简史

在基于PoS共识的区块链网络中，节点不再通过计算能力争夺记账权，获得记账权的概率取决于拥有多少股权。这里的“赌注”可以是节点持有的遍数，也可以是遍数的函数。比如下面提到的Peercoin提出的“币龄”概念，一个节点持有通票的时间越长，累积的币龄越多。与工作量相比，PoS共识的优势包括降低能耗、保证安全、降低集中化风险。

纵观PoS的历史，PoS的发展大致可以分为三个阶段。

第一阶段是以Peercoin为代表的PoW PoS混合共识。

但这种早期的混合共识仍然需要参与分块生产的节点计算一定量的hash值，即在相似的工作量下生产分块，只是每个节点通过计算找到合法分块的概率与节点持有的权益有关，即按照权益选择生产者，采取基于权益的激励方式。Peercoin并没有完全实现“降低能耗”的目标。

第二阶段是以Nextcoin为代表的纯PoS共识。

这种PoS共识机制不需要或只需要节点进行少量的hash值计算，而是采用分布式、可验证的随机数生成函数来选择块生产者，激励方式仍然与节点持有的权益相关。这种PoS共识消耗的能量比工作量少，但仍然存在危及网络安全的隐患，并没有完全解决—— nothing Stake攻击。

第三阶段是以太坊以Casper为代表的新PoS共识。

这种共识通常将PoS作为共识算法的一部分：以PoW的方式产生区块，每隔一定数量的区块以PoS的方式确认共识的终结性；或者由PoS产生该块，并且通过BFT算法验证该块。这种PoS共识不是基于所采用的具体算法。它们的共同点是实行“股权经济”，节点通过参与网络共识，可以根据自身权益比例获得块状奖励。与早期的PoS不同，这种共识通过对不诚信节点增加经济惩罚，解决了“无利息”的问题，增强了PoS共识的安全性。

此外，以BitShares和EOS为代表的“DelegatedPoS”共识也为大众所熟知。但在这种共识中，权益只体现在对“超级节点”的投票上，与经济模型和奖惩无关，所以一般不作为PoS共识来讨论。

根据区块链产生的过程，PoS共识可以分为以下两类：

基于链的利害关系证明。类似于BTC PoW生产区块的原理，该算法每隔一定时间根据节点持有的权益随机选择一个节点负责生产区块。此块必须附加到合法块。当出现分歧时，根据一致性算法规定的规则选择一条链作为一致性链。

拜占庭PoS (BFT式的利害关系证明)。该算法每隔一段时间根据节点的权益随机选择节点发布一个区块，但是这个区块是否合法，是否可以附加到共识链中，需要一定比例的验证者投票确认。

2权益证明的安全性

不同于PoW共识中的计算能力竞争，即通过引入稀缺的外部资源，奖励拥有pass卡的节点所支付的计算能力来保证区块链网络安全的模式。PoS希望依靠区块链经济系统的内生动力来解决安全问题。PoS按“权益”分配块记账权和在线奖励，通过一系列创新解决方案确保共识安全。在此基础上，POS创造了区块链世界独一无二的“权益经济”。

2.1区块链世界的“公地悲剧

早期的PoS共识面临着易分叉的危机。哈丁教授在文章《公地悲剧》(公地悲剧)中描述了这样一个故事：一些牧羊人在一块公共草地上吃草。因为草原的资源是有限的，当羊群数量超过草原所能承载的最大数量时，羊群的总产值就会下降。考虑一个由两个牧羊人组成的简单模型，假设草地合理放牧量为两个，每个牧羊人有一只羊。此时每只羊的产值是一个单位，每增加一只羊，羊群的总产值就会减少。

每一个牧羊人都面临着两种选择：增加一只羊或者维持现状。如果牧羊人是理性的，增加一只羊将是两种情况下的最佳策略。然而，当两个牧羊人都选择放牧时，草地的总产值减少。“公地悲剧”给我们的启示是，公共资源的无节制开发和利用是人类生存的基础

早期的PoS共识也面临类似的问题，即“理性分叉”。在基于“链”的区块链网络中，当一个节点发现两个高度相同的块，即网络分叉时，该节点面临两种选择：一是根据共识规则，选择其中一个节点作为主链，然后产生新的块；第二，在两条分叉的链上同时产生新的区块。

区块链作为一种无形的技术，承载了其价值的重要部分。在“公地悲剧”的情况下，被滥用的草原资源是有限的。尽管区块链生态仍在快速发展，但无限制的分叉必然导致区块链开发者、社区和生态系统的碎片化，分叉链之间的竞争与无分叉相比会降低其整体价值。

在权力共识的区块链，这样的选择实际上是站不住脚的。节点拥有的计算能力是固定的。如果节点分配一部分计算能力在叉链上挖掘，首先要承担叉链最终没有价值的风险，节点会因为在叉链上挖掘而失去主链上减少的收益。如果分叉链的价值得到认可，那么其他理性节点会迅速将计算能力切换到分叉链上，从而实现两条链上单位计算能力收益的平衡。如果一个节点的计算能力在整个网络中的比例没有变化，那么它就无法获得超额收益。理性节点的选择是在最有可能成为主链的链上继续挖掘。

在PoS共识下，分叉链分叉高度前的块与原链完全相同，因此节点在分叉链上也有相同的通过次数。所以在叉链上有相应的继续产生块的权利，两条链上的挖掘互不影响，所以理性节点会默认叉链的存在。

有一种观点认为，如果通票持有人能够预见到这种分裂所带来的危害，那么他为了维护自己的利益，就会拒绝在叉链上产生滑车。但事实上，群体中的大多数个体都是短视的，如果没有其他规则的约束，很少有节点会在分叉的链条中放弃自己的权益。这也叫“无利害关系”。

2.2“剑客”机制

以太坊的Casper共识应用了“剑客”机制，在共识机制中引入惩罚措施，解决了之前PoS共识中的公地悲剧。

这个协议的核心内容是，参与分块生产的节点(称为验证者)需要抵押一定的保证金，并规定一系列惩罚条件。当发现节点有处罚条件所列行为时，将没收节点所抵押的保证金，并收回验证者权利。将被处罚的行为通常包括同时在两条链上产生方块、不在最新高度产生方块等恶意行为。当分叉链可能出现时，对显示出可能的恶意行为的节点进行削减会改变节点选择挖掘或不挖掘的预期收益。只要节点挖分叉链或发起攻击的预期收益小于安全保证金，理性节点的选择就会是遵守规则，做一个诚实的节点，从而化解无关攻击。

科幻小说《三体》中的挥剑人在三体舰队攻击地球时发送三体星系的坐标，摧毁三体星系和太阳系，是地球制约三体攻击者的关键力量。新一代PoS共识中的挥剑机制也是制约潜在攻击者的利器。共识机制通过规定合理的惩罚条件和抵押金额，可以有效增强其抵御各种网络攻击的能力。

2.3新问题——“远程攻击”

基于链的PoS共识在如何确定共识的终结性上更加复杂。

PoS摒弃了“累计工作量最大的链为主链”的概念。在节点可以自由加入或退出的PoS网络中，抵押支付的变化是动态的，验证者需要获得其他验证者的最新信息来判断哪些区块是真正有效的。 与PoW网不同的是，判断一个块是否合法只依赖于几个客观信息：交易是否合法，块头的hash是否符合要求。判断主链，确定最长链原则，PoS还需要考虑“远程攻击”的可能性。

“远程攻击”是PoS共识中最具威胁的攻击形式。当一个节点收回他的抵押贷款时，虽然它不再有权验证未来的块，但它仍然可以在收回抵押贷款之前回滚块，并且因为它不再受到没收押金的惩罚，攻击者可以贿赂这些节点收集足够的“幽灵”抵押贷款(这些抵押贷款已被收回)并重建一个新的。

一种解决方案是移动检查点。也就是说，每隔一定的块间隔设置检查点，并且只有检查点之后的块可以被重组。检查点之间的间隔一般小于所需的最短抵押时间，以确保所有具有足够可能性的块都被已经支付抵押的节点验证。另一个解决策略是“上下文感知事务”。在构造事务时，事务中记录了前面一个或多个块的哈希值，这样一个事务就可以与一个特定的块分支相关联，在fork链上伪造一个事务就变得困难了。

3股权经济中—— PoS共识的经济概念

3.1 PoS共识的类型

根据股权在共识经济模型中所起的不同作用，我们可以将PoS细分为以上几类。

在后两种共识机制中，权益在共识过程中并不起决定性作用，所以一般不作为PoS共识来讨论。它们与前两个PoS共识的区别在于，网络的经济激励是否按照节点拥有的权益数量进行分配。虽然有些PoS共识也通过投票选举出有限数量的验证者参与共识过程，但这种选举是通过智能合约将通行证“委托”给验证者来实现的。验证者没有使用委托通票的权利，验证者获得的区块奖励按照通票数量分配给其拥有者。然而，在DPoS共识中，块奖励只分配给超级节点和一定数量的候选节点。

纯PoS和混合PoS的区别在于选择验证者的过程是否与其持有的权益相关。在相应的PoW共识中选择块生产者的概率与其计算能力有关。混合PoS共识一般通过PoS为区块链提供“终结性”测试，而区块链的产生和验证者的选择则通过其他方式完成。如果一个节点获得记账权的概率与其抵押的权利相关，那么这种共识可以认为是纯PoS共识。

这样定义的纯PoS并不是不能包含其他共识算法。事实上，大多数PoS共识使用类似BFT的算法来投票。比如Tendermint的基本算法是PoS pBFT，活性证明的基本算法是PoS PoW，卡斯珀FFG的基本算法是PoW PoS BFT。未来PoS的发展趋势也将是褒贬不一的共识。

3.2所有持有人参与一致同意的网络

PoS一致同意可以概括为：股权持有人会投票支持他们认为合法的区块，并愿意承担因作弊而失去抵押的风险。在区块链经济体系中，通行证的持有者大致可分为以下类型：个人投资者、机构投资者、基金会和项目开发商。这些通行证持有者存放通行证的方式包括：个人保管私钥(包括线下钱包服务)、交易所和托管机构。在传统的PoS共识中，只需持有一张通行证即可自动获得利息收入，因此个人和机构投资者通常不愿意锁定自己的通行证参与共识过程，导致网络安全性较低。

在具有惩罚机制的PoS中。 共识中，只有抵押通证参与网络共识过程才能获得利息收益。由于通胀的存在，「持币待涨」的守财奴策略不再适用于新型 PoS 共识，全体持有者都必须参与共识过程以获取区块奖励。惩罚机制的存在使运行专业的共识节点所需的成本大大提升，个人投资者难以承担开支。

如果 PoS 网络不支持类似委托功能的智能合约，那么就会产生专业化的代为验证的机构。个人投资者委托专业的验证者节点代为抵押通证，并支付一定的管理费用，获得利息收入。而适合开展这项业务的网络经济参与者包括数字通证交易所、钱包等，Coinbase 目前已计划实施为 Tezos 用户提供权益抵押服务，并估计投资者的年被动收益约为 8%，Coinbase 再从中收取 20% 的管理费。

个人投资者如果参与新型 PoS 权益经济，以下风险是值得深入考虑的：抵押通证承担的机会成本、预期收益率、委托抵押机构的专业能力与佣金收取、自建验证节点所需的专业知识和成本。

新型 PoS 共识鼓励全体通证持有者参与到共识过程中，维护网络安全性，这种安全性与 PoW 相比有一些不同之处。

3.3 从经济角度「量化」PoS 的安全性

区块链网络的安全性是其一切应用、性能指标的基础，引入了「执剑人」机制的 PoS 共识应当能够提供与 PoW 相当的安全性。安全性与共识机制容错能力概念略有区别，共识的容错能力通常是通过算法推导出的理论值，而网络安全性还受到网络实际运行情况、经济模型、节点规模等一系列因素的影响，我们希望寻找一个能够量化的指标来衡量区块链网络的安全性。

从经济效益的角度考虑，如果攻击一个系统能够获得的收益高于为了攻击它付出的代价，那么类似的攻击是值得尝试的。相反，如果攻击一个系统付出的代价高于能够获得的收益，对于攻击者来说是不合算的，这样的系统是「经济学安全」的。例如美墨的边境墙，美墨边境地区的毒品贸易、非法偷渡、甚至人口贩卖都能够带来暴利，相对地突破边境墙所需的成本（例如修建地道）就不值一提了，因此「边境墙」是一个经济学不安全的例子。

现代密码学就是一个能够保证个人数据「经济学安全」的应用的例子。即使是日常生活中应用较多的对称式加密，如果不考虑网站数据库泄漏、明文存储密码等人为因素，其安全性也是非常高的。试图破解一个普通用户的密码，花费的成本往往高过用户账户本身的价值，区块链所基于的非对称加密技术更是能够抵抗目前全世界所有计算机的计算能力攻击。

在 PoW 共识中，网络的安全性依靠足够的算力保证，而节点只有在有足够经济激励，即运行节点的边际成本小于边际收益的情况下，才会参与到挖矿当中。由于 PoW 网络不存在对恶意节点的惩罚措施，恶意节点承担的最大损失就是可能的区块奖励。如果攻击者发动 51% 攻击，那么它需要掌握至少 51% 的算力，并且如果攻击者希望回滚 N 个区块之前的交易，假设攻击者拥有全网 60% 的算力，那么只需要再过 3N 个区块高度，他就可以挖出一条比原链更长的攻击链，那么他的攻击成本约为 3N 个区块总奖励的 60%。因此 PoW 网络的攻击成本是可以量化的，我们可以通过全网算力、算力租赁价格、结合矿机制造成本、网络难度增长率等参数估算出网络的安全度。

在包含 Slasher 协议的 PoS 共识中，恶意节点发起攻击行动不仅会损失可能的利息收入，还会损失抵押的保证金。一个区块得到 N% 确认的含义是：如果该区块没有成为最终的共识，那么验证者共计要损失全网抵押金总量的 N%。假设在 PoS 共识区块链中，攻击者希望发动类似的攻击，那么他需要抵押一定比例的通证，该比例因具体的共识算法而异。在以「链」为基础的 PoS 共识中，一般需要抵押通证总量的 51% 以发动类似攻击，付出的攻击成本就是同等数量的通证，以及占比较小的损失的利息收入。

要获取 51% 的流通通证同样存在难度。一方面如果通过二级市场购买通证，那么大规模的收购势必会推动价格的上涨，增加攻击者的攻击成本；另一方面已经有相当规模的通证处于抵押锁定期。Cosmos 已抵押的通证数量为 7390 万枚，占总供给的 39%；Tezos 已抵押的通证数量为 5.3 亿枚，占总供给的 81%；Decred 已抵押的通证数量为 455 万枚，占总供给的 48%。如果通证的初始分配合理，那么单个攻击者实施类似攻击的难度很大。

PoW 网络中的攻击者如果只希望改写最近的几个区块内的交易，只需要付出数倍于区块奖励的成本，这取决于其掌握的算力多少，只要可能获得的收益超过其攻击成本，那么网络陷入不安全的状态。但 PoS 网络中一旦有攻击者掌握了 51% 的流通通证，那么对网络安全造成的损害也是永久性的。

PoW 共识引入外部资源为网络提供安全性，并且这种资源本身的价值为攻击行为制造了一定的门槛，而 PoS 共识则依靠网络中通证的价值与惩罚机制预防攻击行为。PoS 权益证明在初始分配合理的情况下能够保证不弱于工作量证明的「经济学安全」。

3.4 垄断与卡特尔组织

「经济学安全」并不能代表区块链网络就是绝对安全的。一方面，存在着「不计代价」的攻击者，如果攻击者不计任何代价希望破坏区块链网络，那么不考虑人为干预（社区强制回滚攻击链等），目前没有区块链网络能抵御类似的攻击。另一方面，寡头垄断是任何经济形式都面临的问题。

在 PoW 网络中，存在算力中心化、矿机制造商垄断的问题，人们一方面担心大型矿池集中了过多的算力，另一方面也担心专门的矿机制造商以技术从源头垄断矿机的生产。由于规模经济的存在，投入大规模资金制造矿机或建立矿场的经营者比中小经营者拥有更低的成本，因此在 PoW 算力竞争模式中更加有竞争力，也更加容易形成垄断。

PoS 共识机制虽然避免了算力、矿机中心化的问题，却也产生的新的垄断形式。一些持有大量通证的节点可能自发地组织成为验证者联盟，他们不需要做出任何可能会被没收抵押金的行为，只要他们的抵押金超过 51%，那么就对链上的治理、社区等拥有绝对的话语权。这样的联盟如果有足够的执行力，他们可以拒绝打包任何他们不希望打包的交易。这些潜在的垄断者可能是项目早期的投资人、交易所、甚至项目方本身。如果类似的攻击行为发生，那么只能依靠「社区共识」强制分叉，因此对于 PoS 项目来说，通证初始分配方案以及具有一定的流动性和市值规模非常重要。

从非中心化的角度来说，PoS 不具备对 PoW 明显的优势。

3.5 目前主流 PoS 算法简介

Cosmos Network 是在 Tendermint 共识算法上基础建立的可操作、可扩展的区块链互联网。Tendermint 是实用拜占庭容错（pBFT）的一个 PoS 改编版。网络根据节点持有权益的多少以相应的概率伪随机地选出一个节点作为生产者发布一个区块，但区块的确认和最终性验证仍然通过 pBFT 算法完成。

Casper FFG 是 PoW 与 PoS 的混合型共识，有 VitalikButerin 蓑衣网小编2022主导开发，其目的是为了让以太坊从 PoW 安全地过渡到 PoS 共识。节点抵押一定的 ETH 成为验证者，验证者的作用是当以 PoW 方式生产的区块链到达一定的高度时，对上一次检查之后的这些区块的最终性进行投票，并根据抵押的 ETH 数量获得报酬。确认最终性后的区块不可被更改，CFFG 融合了 PoW、PoS、BFT 共识的思想，在 PoW 的基础上每隔一定数量的区块设置 PoS 检查点，为之前的区块提供最终性，进一步增强了共识的安全性。

Casper CBC 是工作量证明 GHOST 协议的 PoS 改编版本，CCBC 是一个纯粹的 PoS 共识，更加注重经济学安全性，并通过设计合理的激励与惩罚规则阻止卡特尔组织的产生。

4 PoS 的现在与未来

Proof of Stake 与其他共识算法的区别更多地在于经济理念与激励模式上而不是技术与共识算法领域。权益的概念可以体现在治理权、投票权、获得利息收入的权利、验证区块的权利等方方面面。

目前的 PoS 共识在大量减少能源消耗的基础上，通过引入对不诚实节点经济上的惩罚规则，仍然可以保证不弱于 PoW 网络的安全性。但 PoS 抛弃了工作量证明简洁易行的理念：累计工作量最大的链即是共识链，也带来了诸如 「长程攻击」 等新的问题，因此不得不设计更加复杂的机制以保证网络安全，增加了开发成本与潜在的安全漏洞，大型 PoS 网络的开发进度不及预期。

PoS 共识一般采用通胀的经济模型，为通证持有者发放利息收入，比通缩的经济模型更加符合现实经济，但 PoS 经济模式同样没能解决垄断与中心化的问题。PoS 代表的「权益经济」是一个与 PoW 共识不同的经济体系，在此基础上将有更多的金融应用场景出现，长远来看，以 PoS 共识为基础的区块链网络将会有很大的发展潜力。

附注：

因一些蓑衣网小编2022原因，本文中的一些名词标注并不是十分精准，主要如：通证、数字通证、数字 currency、货币、token、Crowdsale 等，读者如有疑问，可来电来函共同探讨。