一文让小白读懂的POW和POS概念详解(内含波卡)

POW(Proof-of-work，工作量证明)

工作量证明最早是一个经济学名词，指系统为达到某一目标而设置的度量方法。简单理解就是一份证明，用来确认你做过一定量的工作。早在比特币出现之前就已经有人探索。

哈希运算是一种最常见的工作量证明机制，即通过计算碰撞出符合条件的哈希值来确定系统做过一定的工作量，此外，你也可以利用卷积求导、大质数分解这些复杂的运算来达到工作量证明的目的。

挖矿即找到合适的哈希值，消耗的计算、内存、电力等能源即为工作量。挖矿本质是一个数学计算过程，有一个“难度值”变量在不断变化，以维持BTC网络10分钟出一个块。难度值可调整。

上面这段话可以解释为什么过去有那么多山寨币，因为只需要稍微改一下POW参数就可诞生一种新的出块时间的山寨币，但其本质和BTC并无任何区别(没有任何智能合约应用，没有任何实际拥有)，然后大肆宣传欺骗小白。

ETH上的智能合约，也可通过仅修改一些参数值来发行新币，但没给出实际的应用。先发币再说项目，这就是为什么2017 ICO项目，在市场热度下如雨后春笋，但最后落得一地鸡毛。

POS (Proof of Stake)股权证明机制

纯粹的POS已经在市场上被淘汰，不多说。目前留存的都是POS的变种。比较有名的是EOS的DPoS (Delegated Proof of Stake) 授权股权证明机制和Polkadot的NPOS (Nominated Proof of Stake) 提名股权证明机制。都是持币者把自己的币质押给节点，节点负责出块维护网络，如果你投的节点有块被纳入了最终的链上，你就能获得符合投票比例的分红，这个分红相当于比特币网络里的出块奖励。

这和做生意投资很像，有人融资做事，你投，赚了一起按比例分，亏了按比例亏(如果不出块，或者验证了错误的块，网络会没收这个节点的币)，也就是在POS里面，正确很重要，认真干活，正确做事才能拿到网络奖励。

两相比较，POW像古时的比武，谁算力大谁就更容易碰出随机值赢得比赛获得奖励。POS则是文明人的游戏规则，大家合作共赢，共享盛宴，不管投给节点的票多还是少，只要是能为网络持续工作的节点，都会获得网络的奖励。

总结：POW机制是干的越多，得到越多;POS机制是持有越多，获得越多。

补充：EOS的DPOS只选取21个大节点，获得多少的网络奖励是由质押币数量多少决定。Polkadot的NPOS有1000个节点，节点胜出是根据质押币数量和币地址分散度共同决定，且只要是有效节点，无论质押币的总数是多少，都会给每个节点发放同等数量的DOT作为奖励。

这说明DPOS容易造成大户联合合作，使网络中心化、内卷化竞争，NPOS则更加去中心化，因为要满足足够多的代币持有者足够地分散，这是一个进步，是一个行业发展合理但又惊喜的进步。

当然无论POW还是POS,其中最重要的因素还是代币的经济价值，经济价值越高需要攻击网络的成本就越高。这个不在这讨论。

POW vs POS

1、公平性

POW公平的把记账权分派给节点，但容易形成算力集中化，财团抱团，个体难参与。POS有很多变种，但波卡的NPOS保证了节点被随机性分散化组合，比POW更加公平。

2、网络性能

比特币和以太坊的拥堵已经有目共睹，但是在区块链逐渐崛起的时代，如果往后需要更多的区块链，怎么保证吞吐量和安全?

(1)吞吐量：

POS系统可容纳的吞吐量比POW链高。

因为POS共识协议并不以浪费一些现实能耗为基础，区块时间和协议就可以更快的发生，这一点的逻辑是：POW面临的挑战的解决方案是不必在确定一个块之前就找到，因此创建一个块的开销可以减少到只需要创建和分发块的成本。

(2)安全性：

POW的安全性靠算力，POS的安全性主要靠代币分散化持有且绑定。

POS系统的安全通过绑定的资产保护，而不是类似POW需要花费很多消耗(花费流动性机会成本以及消耗电力)。POS的工作方式是选择一组具有已知经济身份的验证者，锁定代币，以换取获得“验证”或参与共识过程的权利。如果他们发现执行了错误的程序，就会被惩罚：部分或者全部的锁定代币会被销毁。这对不良行为提供了很好的抑制作用。POW没有类似的奖惩机制，仅仅是损失算力(电力)成本而已。

破坏POW系统需要掌握51%以上算力，目前，排名前三的矿池算力加在一起已经超过51%，但攻击从未发生过。因为只要发生一次51%的攻击，比特币网络的金字招牌“可信度”就荡然无存，币价跳水，这对靠挖矿获得币而从而获得收益的矿工及其不划算，何必自己砸自己。也就是说攻击的代价会极大可能的高于诚实挖矿，所以都选择不攻击，这是个博弈的问题。(实际高于30%就可以发起攻击，但是高于51%就是铁定会攻击成功)。

传统POS链的共识需要2/3以上的验证者组同意所有发生在layer1上的事务：所有作为链状态机一部分的逻辑都要被认可。即，每个人都需要验证网络所有的信息。然而，验证者可能基于收到异步网络不同的信息，对系统有不同的看法。这让对链最新状态达成一致变得困难。

意思是说，POS的吞吐量更高，更加节能，创建一个区块消耗的时间成本和网络资源成本更低。但是POS需要全网2/3的验证者达成共识才能确定网络的最新状态，验证者们可能收到异步网络的不同信息，对系统的最新状态看法不一致，这就会导致网络的最新状态不容易确认。

这也是波卡极致分片架构设计的考虑点之一：不需要每个节点参与者验证每一笔交易，只需要每个节点参与检查一部分交易即可。每个节点参与者检查交易的某些子集，就使得拜占庭中有了足够的冗余，任意恶意的参与者就无法潜入无效的交易中，至少在没有被发现并受到削减的情况下，这些交易不能被还原，即在那些交易被恢复的情况一定会被发现受到惩罚。

另外，很多人喜欢拿以太坊和波卡做对比，从技术上来说，波卡是更新的一代，自然更高级。但客观的看待以太坊，它在最初创立的时候就想用POS共识，但当时POS共识还不如现在成熟，且POW的可靠性高，所以选择了后者，后者正是由于其对出块的时间的限制，网络转账更可靠，更能减少恶意交易，这和利用POW算法来杜绝垃圾邮件是一个道理。

与此同时，需要注意的是，POW是概率性共识，可能网络中的两个节点同时碰撞出同一个正确的哈希值，这个时候就会出现我们说的硬分岔(概率性终态确定)。

POS的共识，是确定了参与验证的节点集合，这些节点采用的是类PBFT共识，类似于有序轮换者出块。变种的波卡的NPOS是需要首先超过一半的签名才算有效，签名者不可以重复，这保证了每一轮只可能有一个节点获得出块权，是一种确定性的共识 。

由此可见，一般POS的安全性是低于POW的，因为验证人集合已知，而且数量不多，不像POW需要足够算力才能攻击，POS中联合验证人中一定比例的节点作恶就能攻击。那么如何提高POS的安全性呢?

(1)惩罚机制：即消减(slash)或者没收(chill);

(2)与多种算法协作，取长补短：好比波卡的分片和POS结合在一起相互协调，利用架构的交互性，集中资金保护所有链：允许一条平行链的Host可以为很多平行链提供完全的安全保证，而不是部分资金保护部分链，形成资金低效和浪费的状态;甚至不需要所有参与者检查所有的状态转换。同时又结合了随机选举验证者节点组和GRANDP&BABE来保证网络整体运行安全。

综上，在网络性能方面，POS的吞吐量更高，安全性能需要多种算法协作。

3、资源利用

POS算法几乎没有资源消耗，唯一消耗的是网络带宽资源。POW挖矿经历了CPU/GPU/ASIC芯片一系列的迭代，这些都是为了更加高效地挖出币，过程中消耗大量电力、算力、以及硬件资源，可以说是资源浪费。但换个角度，POW挖矿形成了一套完整的产业链：水电站、网络、矿机制造等等，只是网络找到合适的哈希值实际上并没有其他的作用，仅仅是挖到了币。

4、去中心化

在波卡的NPOS出现之前，无论是POW还是POS，都会逐渐演化出权利集中的问题。传统POS存在大户互相投票，互相推举为大节点的现象，让老百姓参与的机会少;且由于没有民主公投这样的明确网络问题解决机制，就形成了和POW矿池挖矿类似的价值回路必须要通过外部输入，其安全性不直接与使用者相关，而是要通过大节点或者矿工这类媒介来完成(不过笔者以为挖矿集中化和专业是很正常的事情，天下熙熙皆为利来，天下攘攘皆为利往。只是集中化带来的结果违背了区块链网络初衷)。

综上所述：

POW是靠谁的算力大取胜获得网络奖励，但并不是算力大就一定能获得，且会造成资源浪费;POW虽然网络慢，但是可靠性更高。

POS是靠质押绑定来获得奖励，质押的多获得的多，没有额外的消耗。网络安全性相对更弱，但可通过与其它算法协同合作来提高安全性。