Pos共识机制_共识机制：权益证明机制（POS）

在区块链系统框架中，共识层提供了全网对交易和区块的共识，是区块链中产生信任的方法和机制。

目前常用的共识机制有3种： Proof of Work，简称PoW； Proof of Staked，简称Pos； 委托权益证明，简称 DPoS。 其中，工作量证明PoW是比特币使用的共识机制，也是目前使用最广泛、最成熟的共识机制。 权益证明PoS和授权权益证明DPoS两种机制针对工作量证明机制的不足进行了优化和完善。 但其应用范围目前主要集中在一些后期产生的数字货币等； 下面我们介绍第二种机制POS。

权益证明机制

权益证明机制是一种改进的共识机制，旨在解决工作量证明机制的缺点。 它的英文全称是Proof of Stake，简称POS。 不同于工作量证明机制需要节点不断进行哈希计算来验证交易的有效性，权益证明机制的原理是要求用户证明自己拥有一定数量的数字货币，即“股份”。

2012年8月，化名Sunny King的极客推出Peercoin（PPC使用工作量证明机制发行新币，并使用权益证明机制维护网络安全。这是该证明首次-of-stake机制被引入加密数字货币领域，经过近两年的发展，这一机制得到了市场的广泛认可，后来比特股、Shadow cash、Nxt、Black等数字货币相继出现coin 也采用了 PoS 机制，从 PoW 切换到 PoS 机制。

PoS机制与PoW机制最大的区别在于，只有持有数字货币的人才能挖矿，不需要大量算力就可以挖到货币，避免了比特币网络中“算力集中”的趋势，回归到区块链“去中心化”的本质要求。

工作量证明机制在生成区块时依赖计算能力，因此每个比特币的创建至少需要 240 千瓦时的电力（2014 年数据），相当于 16 加仑汽油。 权益证明机制在生成区块时不将算力作为一种资源，而是将数字货币的所有权作为一种稀缺资源来产生共识。 创建区块的节点必须提供证明，让全网同意它在拥有一定数量的数字货币之前创建了区块。

首先，PoS机制在创建区块时，要求自身拥有一种数字货币（如比特币或PPC），即拥有一定的权益（Stake）。 有趣的是，对于整个数字货币网络来说，创始区块拥有的数字货币是通过比特币的PoW机制“挖出”的，但权益证明机制是从创始币向下执行的。 与此同时，更多的数字货币被创造出来。 因此，在PoS机制下，出块的过程不叫“挖矿”，而叫“铸币”。

(1) 币龄

PoS机制的主要特点是引入了“币时代”的概念。 币龄的概念至少从 2010 年就为中本聪所知，并在比特币中用于帮助确定交易的优先级，但在比特币的安全模型中并未发挥关键作用。 币龄定义为交易的货币数量乘以货币存储在钱包中的时间。 例如，假设 Bob 从 Ace 那里收到 10 个硬币并持有 90 天，我们说 BQb 已经累积了 10×90=900 天 另外，当 Bob 花费了他从 Alice 那里收到的 10 个硬币时，系统确定 Bob 已经消费了这 10 个币上积累的“币龄”，Bob 钱包中的这 10 个币的币龄为零，相应地，他创建新区块的能力也为零。 为了加快币龄的计算，PoS机制在每笔交易中引入时间戳。 区块的时间戳和协议相关的交易时间戳便于币龄计算。

(2) 区块在PoS机制下产生

在 PoS 设计中，区块分为两类：PoW 区块和 PoS 区块。

PoS（币权）交易结构如图所示。

新型区块中的PoS是一种特殊的交易，称为币权交易（coinstake，对应比特币的特定交易名为coinbase）。 在币权交易中，区块所有者支付并消费币龄，同时获得生成区块和 PoS 铸币的权限。

币权交易的第一个输入称为核心（Kernel）输入，需要符合特定的哈希目标协议，因此生成 PoS 区块的过程变成了一个随机过程，类似于 PoW 区块。 但与 PoW 区块不同的是以太坊pos权益证明机制，币权交易的哈希运算是在有限的搜索空间中进行的（更具体地说，对每个未支付的钱包每秒进行一次哈希），而不是像 PoW 那样是在无限的搜索空间中进行的，所以它不需要消耗很多能量。

权益核心必须匹配的哈希目标是核心中消耗的每单位代币的年龄（与满足给定目标哈希值的比特币 PoW 目标相反）。 因此，核心消耗的币龄越多，就越容易满足哈希目标协议。 例如，如果 Bob 有一个钱包，里面有 100 个币年的积累，希望在两天内生成一个 core，那么 Alice 就可以期望她 200 个币年的钱包在一天内生成一个 core。 另外，PoS的哈希目标是不断调整的，不像比特币有两周的调整间隔，可以避免网络产出率的突然波动。

(3) 基于PoS的铸币

除了比特币 PoW 铸币机制外，PoS 区块还引入了一种新的铸币机制。 PoS 区块铸币基于币权交易中消耗的币龄，选择“每币年消耗 1 美分”的铸币率，导致未来通货膨胀率极低。 PoS 保留了 PoW 作为铸币过程的初始部分，方便初始铸币，但其功能类似于股票交易的初始上市，然后就不需要 PoW 机制来铸币了。

(4) 主链协议

PoS 使用区块消耗的币龄来决定哪个竞争区块链赢得主链被选为主链的地位。 这与比特币主链协议中使用 PoW 形成对比，后者使用区块链的总工作量来确定主链。 这种设计减轻了对比特币 51% 攻击的担忧。 在比特币网络中，只有当“好节点”控制至少 51% 的网络挖矿算力时，系统才被认为是安全的。 在PoS机制下，控制51%的权益成本远高于控制51%算力的成本，因此攻击者的成本会大大增加。 另外，在攻击过程中会消耗攻击者的币龄，可以让攻击者持续阻止交易进入主链。 更加困难。

(5) 关卡：历史保护

主链由消耗的总币龄决定。 这种机制的一个缺点是降低了攻击整个历史区块链的成本； 另一个值得关注的是，双花攻击的成本也降低了，因为攻击者只需要积累一定数量的币龄就可以强制重组区块链。 虽然比特币对交易历史有很强的保护作用，但中本聪在 2010 年引入了检查点机制，通过在检查点之前阻止区块链。 为加强对区块链历史交易的保护而进行的任何更改。 借鉴比特币的做法，为了保证PoS的业务实践，PoS中还引入了一个额外的checkpoints表，以较短的间隔时间（比如一天多次）进行中心广播来冻结区块链并完成交易。 这种新型检查点的广播机制类似于比特币的报警系统。 另一个技术原因也导致 PoS 采用集中广播检查点。 为了抵御“拒绝服务攻击”，PoS 必须先验证币权交易的核心，然后 PoS 区块才能被每个节点的本地数据库（区块树）接受。 PoS 采用中心化检查点。 解决办法是修改币龄算法，设置一个最小币龄，比如一个月。 任何低于最小币龄的都被算作 0，然后集中检查点确保所有节点都同意所有过去的交易都超过一个月。 因此，在验证币权核心连接能否成为核心时，需要非零币龄，即必须使用早于一个月的输出。

(6) 区块签名及股权复制协议

每个区块都必须由所有者签名以太坊pos权益证明机制，以防止攻击者复制和使用相同的 PoS。 权益复制协议用于抵御攻击者使用PoS生成多个区块实施的“拒绝服务”攻击。 每个节点收集它所看到的所有币权交易的（核心，时间戳）数据对。 如果一个节点接收到一个包含与另一个先前接收到的块相同的数据对的块，则忽略复制权益的块并接受另一个块。 数据对中的“时间戳”是指从这个区块的创建时间到创建区块的秒数。

(7) 能源效率

在比特币中，当 PoW 铸币率接近于 0 时，构建 PoW 区块几乎没有奖励。 在这种长期情况下，网络的能源消耗下降到非常低的水平，因为不感兴趣的矿工停止了 PoW 区块的生产。 矿业。 此时，比特币网络将面临危机，除非交易费用提高到足以维持能源消耗的水平。 在 PoS 机制下，即使网络能耗为 0，PoS 仍然可以保护网络。 如果用于 PoW 机制的能源消耗可以接近于零，则该加密货币被称为“长期节能”。

(8) 其他考虑

PoS机制修改了PoW的铸币率决定机制，不再由区块高度（即时间）决定，而是由难度决定。 当挖矿难度增加时，铸币率下降。 相比比特币的阶跃函数走势，PoS的曲线相当平稳，避免了人为对行情的冲击。

在比特币和 PoW 机制下，交易手续费的存在导致矿工之间的合作排斥。 为了解决这个问题，在PoS机制下，区块所有者不再支付交易费用，如果其他矿工的区块没有被确认，就没有交易费用，交易费用只在协议层面实现. 这种方式有利于抵消 PoS 铸币的通货膨胀效应。

(9) 随机抽取

PoS的铸造是基于账户拥有的有效数字货币权益，必然导致“富者愈富，穷者愈穷”的马太效应，因为“富”的人，也就是人谁持有的数字货币权益越多，他就越有可能创建一个新的区块，而新的数字货币越容易“铸造”，他拥有的数字货币就越多，而这个结果反过来会推动这个过程“铸币”的……而“穷”由于初始权益低，币龄不足，出块和获得新币的可能性大大降低，进而会进一步影响下一个“币”的成功率铸造”。 最后的结果是“富者愈富，穷者愈穷”。

当然，这种现象也存在于比特币中。 比如越富的人资金越多，可以购买更多高性能的矿机，甚至可以建立矿池，算力越强大，也就是可以挖矿，而穷人由于资金不足，可以仅在极端情况下使用 CPU 或 GPU 挖矿。 在目前的网络算力下，他们可能根本挖不到，拿不到比特币。 这是另一种“富者愈富，穷者愈穷”的形式吗？

为了解决这个问题，PoS机制一方面设计了“随机抽奖”机制，在系统中建立了一套透明的算法机制。 , 可以查询), 根据算法, 其他节点可以预测哪个账户将获得生成下一个区块的权限。 当这个账户通过哈希计算获得创建下一个区块的权限时，它会收集全网所有未确认的交易，打包到区块中，填写各种参数，然后将区块发送到全网广播等待来自其他节点的确认，然后链入主链，完成区块链的延续。 同时，系统还规定，当数字货币持有90天后，产生下一个区块的概率达到最高。 即使未来增加持有时间，也无法增加产生下一个区块的概率。 该规则避免了通过增加持有时间或质押量来垄断区块链的情况。