【探索ETH】什么是权益证明PoS

本文是Discover系列的开篇，结合ETH2.0的目标，谈谈什么是PoS。

1. 共识机制

在谈 PoS 之前，我们先了解一下共识。 共识，即达成了普遍协议。 区块链本质上是一个全局状态机，达成共识意味着网络上至少一半以上（51%）的节点同意网络的下一个全局状态。

共识机制（也称为共识协议或共识算法）允许分布式系统（计算机网络）协同工作并保持安全。 目前主流的共识机制有两种，工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）。 以太坊在设计之初，希望以太坊的共识机制最终能够转化为PoS，而PoW只是作为一个过渡阶段。 但无论是PoW还是PoS，最终目的都是一样的，就是实现分布式计算机的共识机制。 我们先简单了解一下工作量证明（PoW）的工作机制。

2.工作量证明

工作证明是由矿工完成的，他们竞争创建最新的区块来处理和完成交易。 获胜者将与网络中的其他节点共享最新的区块，并获得特定代币（例如以太坊的以太币）的最新区块奖励。 网络的安全性是有保障的，因为用户需要拥有全网51%以上的算力才能够欺骗全链。 这将需要巨大的设备和能源投资，成本甚至可能超过收益。

工作量证明在2008年由中本聪创建的比特币中提出，至今已经得到了充分的检验和检验，但是随着越来越多的矿工和矿池的加入，挖出新区块的难度指数呈爆发式上升，并且还面临以下问题：

3.权益证明

PoS作为ETH2.0的重点建设目标，不仅因为PoW带来的不环保能源消耗，还因为PoS的建设能够更好地支持分片链（以太坊网络扩容的关键升级），以及更强的去中心化特性等等。 下面从几个方面简单说一下PoS的工作过程。

验证者、质押、权益证明

在以太坊中，参与工作证明过程的角色是矿工/矿池。 其目的是通过算力的试错反复计算，生成低于目标随机数的混合哈希。 这个计算的难度取决于区块声明的难度。 难度越低，有效哈希值的集合就越小。 在权益证明中，没有矿工的角色以太坊pos权益证明机制，对应的角色称为验证者。

在 ETH2.0 中，用户需要质押 32ETH 才有资格成为验证者。 验证者由信标链随机选择来创建区块，并负责检查和验证他们没有创建的区块。 他们不需要挖块，他们只需要在被选中时创建块，在没有被选中时验证其他人提交的块。 这种验证称为证明。

验证者会因提出新区块和证明他们看到的区块而获得奖励。 对于一些恶意的验证者节点，也会有相应的惩罚机制来失去他们的质押。 验证者质押的 ETH 越多，他们获得的奖励就越多。 可以这么说，权益证明是一种用于激励验证者接受更多权益的机制。

权益证明过程

前面提到分片链这个词，分片就是把区块链分成多条链。 验证者将在不同的分片上处理他们的分片数据，以提高区块链的效率。 ETH2.0 预计有 64 条分片链。

验证人会随机洗牌到不同的分片中，以防止验证人恶意操纵节点，提高链的安全性。 处理不同分片之间数据的关键角色是信标链。

信标链是协调分片信息和管理验证器以连接不同分片的桥梁。

当用户在分片上提交交易时，验证者将负责将用户的交易添加到分片块中。 信标链通过算法选择验证器来提议新块。 如果未选择验证者来提议新区块，他们将证明另一个验证者的提议并确认一切正常。

至少需要 128 个称为委员会的验证器来证明每个分片块。 委员会对分片块的提议和验证有时间限制。 这个时限叫做一个时隙（Slot），大约是12秒。 每个时隙只能创建一个有效区块，一个周期内有 32 个时隙（Epoch，约 6.4 分钟）。

在每个周期之后以太坊pos权益证明机制，委员会由不同的随机参与者解散和重组。 重组过程由半随机算法 RANDAO 选择，以避免被恶意节点操纵。

委员会验证节点、槽和周期之间的关系

当达成共识时（finality）

ETH2.0 使用 Cassper finality 协议来确认一个新区块是否被充分证明，即只要有 2/3 的时隙同意（即当前参与计算的验证者节点的 2/3），则块将被批准。 最后确认。 推荐该区块的验证者将获得奖励。 因此，在权益证明机制下，每 6.4 分钟就会创建一个新区块。 稍后将探讨 Cassper 协议的详细描述。

当前的困境

2015年以太坊提出了权益证明的构建，Phase 0信标链的构建至今才完成。 下一阶段与主网的融合，下一阶段的分片链建设也一再推迟。 虽然 PoS 的构建非常缓慢，但无论如何，Proof of Stake 是主流的共识机制算法之一，其设计原则值得探讨。

后续将探讨信标链的详细设计、分片等ETH2.0内容。