VitalikButerin亲笔撰文：PoS与PoW的安全性优劣比较

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以太坊中文网

来源：ETH中文网作者：Vitalik Buterin，以太坊创始人

本文原由 Chih-Cheng Liang 和 Hsiao-wei Wang 翻译为繁体中文，由于表达习惯不同，考虑到简体中文读者的阅读体验，ECN 对本文进行了简体转化和二次校对。权益证明 (Proof of Stake, PoS) 在区块链安全性上优于工作量证明 (Proof of Work, PoW) 的关键因素主要有三。

01 权益证明在同样成本下可提供更高的安全性

理解这点最简单的方式就是把权益证明和工作量证明摆在一起看，假设每天有 $1 的区块奖励，攻击此网络所需的成本是多少。

基于 GPU 的工作量证明

你可以便宜租到 GPU，所以攻击网络的成本就只是租到足够的 GPU 算力以超过现有的矿工。每产生 $1 的区块奖励，现有矿工的成本将近 $1 (如果成本高于 $1，矿工就会因为无利可图而退出，反之新矿工就会加入进来获取利润)。因此，攻击网络的成本只需要高于 $1/ 天，而且可能只需要持续几个小时。

总攻击成本：~$0.26（假设攻击 6 小时），且因为攻击者可以收到区块奖励，所以这个数字还有可能压到零。

基于 ASIC 的工作量证明

ASICs 其实是资本成本：当买进 ASIC 时你预期大概可以用两年，因为它会慢慢耗损或是被性能更好的硬件取代。如果一个链被 51% 攻击了，社群大概会更换 PoW 算法来做出应对，而这时你的 ASIC 就会失去价值。平均而言，挖矿成本约为 1/3 的经常性成本与 2/3 的资本成本 (详见此处)。

因此，每 $1 的区块奖励上，矿工每天会花 ~$0.33 在电力与维护上，并花费 ~$0.67 在他们的 ASIC 上。假设 ASIC 可以用大约 2 年，矿工会需要为单位 ASIC 硬件花费 $486.67。(译注：$486.67 = 365 天 x 2 x $0.67 资本成本)

总攻击成本：$486.67 (ASICs) + $0.08 (电力与维护) = $486.75

(译注：此处电力与维护成本也是假设攻击时长 6 小时)

话虽如此，值得注意的是 ASICs (相较 GPU) 带来较高的安全性是以中心化的高代价换来的，因此加入 ASIC 挖矿的门槛也非常高。)

权益证明 Proof of stake

权益证明的成本几乎是百分百的资本成本 (抵押的币)；唯一的营运成本是运行节点的成本。这样人们会愿意为每天每 $1 的区块奖励锁住多少的资金呢？不像 ASIC，抵押的币不会贬值，而且当你不想抵押了你还可以在一段短时间内取回质押金。因此，参与者应该会愿意为同样程度的奖励付出比 ASIC 的情况更高的资本成本。

让我们假设 ~15% 的报酬率足够吸引人们抵押 (这是 eth2 的期望报酬率)。因此每天 $1 的区块奖励会吸引相当于 6.667 年报酬的抵押，或换算为金额为 $2,433 。节点消耗的硬件与电力成本很小，每一千元的电脑可以抵押成千上万的资产，而且每月 ~$100 的电力与网费也算足够。但保守来说，我们假设这些经常性成本是抵押总成本的 ~10%。所以我们只有每天 $0.90 的区块奖励对应到资本成本，因此我们还要把上面的数字减少 ~10%。

(译注：6.667 年 = $1 / (15% 年报酬）；$2,433 = $1/ 天 x 365 x 6.667)

总攻击成本：$0.90/ 天 * 6.667 年 = $2,189

长期来说，这个攻击成本会预期会更高，因为抵押会变得更有效率，而且人们也会更能接受较低的报酬率。我个人预期这个数字最终会攀升到 $10,000 的程度。

取得这么高程度安全性的唯一「代价」就是在质押期间不方便随意转移质押金。甚至有可能因为人们认知到这些被锁住的币会造成币的价值攀升，所以在社群流通的货币总数，或是能做有生产性投资的资金，都能维持不变。反观 PoW，维持共识的「代价」是疯狂地损耗大量电力。

更高安全性或更低成本？

注意我们有两种方式可以运用这个增加 5-20 倍的每单位成本安全性。一种方式是区块奖励维持现状，并受益于增加的安全性。另一种方式是维持现有程度的安全性，并大量减少区块奖励 (也就是减少共识机制成本的「浪费」)。

两种方式都行。我个人喜欢后者，因为我们下文会看到，比起工作量证明，在权益证明中一个成功的攻击能够造成的伤害更少，而且更容易从攻击中复原。

02 权益证明更容易从攻击中复原

在工作量证明的系统，如果你的链遭受 51% 攻击，你会怎么做？目前为止，实践上唯一的应对方式一直是「慢慢等，直到攻击者觉得无聊」。但这忽略了一种更危险的攻击叫做「重生点埋伏攻击 (spawn camping attack)」，攻击者可以对链攻击再攻击，明确的目标就是要让链无法再使用。

(译注：重生点埋伏是一种游戏术语，在对方玩家阵亡重生的地方埋伏，造成对方玩家一重生就再阵亡，毫无回击能力。)

基于 GPU 的系统完全没有防御的办法，而且持续攻击的攻击者可以轻易让一个链永远毫无用处 (或更实际一点，转移到权益证明或 proof of authority 权威证明)。实际上，在攻击开始后的前几天，攻击者的成本就会变得非常低，而诚实矿工会离开，因为他们没办法在持续攻击之下取得区块奖励。

在基于 ASIC 的系统，社群有办法应对第一波攻击，但接下来的攻击就会变得很容易。社群可以在第一波攻击之后，硬分叉来更换工作量證明的演算法，也就是把所有 ASIC 「变砖」（包含攻击者与诚实矿工的 ASIC）。但如果攻击者愿意承受自己 ASIC 变砖的成本，接下来的情况就和 GPU 的情况一样 (因为还没有足够的时间去为新算法制造与生产 ASIC)，所以在这之后攻击者可以很便宜地持续重生点埋伏攻击。

译注：变砖为电子产品俚语，代表损坏后无法使用，像砖头一样。

权益证明的情况，情况则变得非常开朗。针对一些种类的 51% 攻击 (特别指想要推翻已经敲定的区块)，权益证明共识有内建的「罚没」 (slashing) 机制，大比例的攻击者抵押会被自动销毁 (而且不会销毁到其他人的抵押)。

针对其他种类的，更难侦测的攻击 (特别指 51% 合谋截断其他人信息)，社群可以协调一个「少数使用者发起软分叉 minority user-activated soft fork (UASF)」，可以大量销毁攻击者的资金 (在以太坊中，可以透过「消极惩罚 inactivity leak」做到）。不需要采取「硬分叉删除货币」措施。除了 UASF 需要人为协调要选择哪个少数区块，其余事情都是自动化的，只要遵照协定规则去执行即可。

译注：少数区块 minority block 是小于 51% 抵押总数的验证者决定出来的区块。

因此，对链的第一次攻击就会耗损攻击者几百万美元，而且社群可以几天内马上站稳脚步。第二次攻击仍然会花费攻击者数百万美元，因为他们需要买新的币去取代旧的已经烧毁的币。再攻击第三次，就会再烧更多的数百万美元。局面极为不对称，而且优势并不会在攻击者那边。

03 权益证明比 ASIC 更去中心化

基于 GPU 的工作量证明还算合理地去中心化，因为取得 GPU 不会太难。但前面提过，基于 GPU 的挖矿难以满足「在攻击之下的安全性」这个准则。另一方面，基于 ASIC 的挖矿，则需要数百万美元的资本 (而且如果你的 ASIC 是买来的，多数时候，制造商会占更多便宜)

这个资本门槛会是回答「权益证明代表富者更富」这个常见论点的答案：ASIC 挖矿也是富者更富，而且这个局面下，富者更占据优势。权益证明的最低抵押门槛在相比之下算是很低，而且许多一般人更有机会进入。

(译注：就文章完成当下 440 USD/ETH 的价格来看，最低抵押门槛大概是 9.3 万人民币。)

进一步说，权益证明更能抵抗审查。GPU 挖矿和 ASIC 挖矿很容易侦测，他们需要大量电力消耗、昂贵硬体采购、及大型厂房。另一方面，权益證明可以跑在一台不起眼的笔电上，甚至也可以透过 VPN 做。

04 工作量证明可能的优势

我认为 PoW 有两大主要优势，但这些优势其实有相当的限制性。

权益证明更像个「封闭系统」，长期而言财富更加集中。

在权益证明中，如果你有一些币，你可以抵押那些币，并且获得更多同种类的币。而在工作量证明中，你总是可以获得更多币，但你需要一些外部资源来达成。因此，人们会认为长期而言权益证明的币的分配会更集中。

我的回应是，在 PoS 中，报酬一般而言会很低 (所以验证者的获利也会低)。在 eth2，我们预期验证者的年收益率会相当于总 ETH 供给量的 ~0.5-2%。而且更多验证者抵押，利率会更低。因此，可能要花个一世纪，整个资产集中程度才会翻倍，而且在这样的时间跨度之下，其他促进分配的压力 (人们想花他们手上的钱，分配资产到慈善或他们自己的子孙等等) 比较可能会占上风。

权益证明需要「弱主观性」 (weak subjectivity) 而工作量证明不需要。

关于「弱主观性」的概念可以看这个原始介绍。本质上，就是节点在第一次上线，或是在离线很长一段时间之后 (数个月) 再次上线，这个节点必须要透过第三方的资源，才能决定正确的链头在哪。这个第三方可以是他们的朋友、可以是交易所或区块链浏览器、或是客户端开发者本身、又或是其他角色。PoW 则没有这样的要求。

然而，这可能是一个很弱的要求。事实上，使用者本身就已经必须对客户端开发者、或「社群」有这种程度的信任。最起码，使用者必须信任某个人 (通常是客户端开发者) 来告诉他们协议是什么，这个协议曾经经历过什么更新。这在任何软件应用中都无法避免。因此，PoS 的边际信任成本仍然很低。

但就算这些风险最终会发生，对我而言 PoS 系统仍然利大于弊：更高的效率、应对攻击并从攻击中复原的能力更强。