PoS驗(yàn)證器是否能成為區(qū)塊鏈的可持續(xù)模型

隨著權(quán)益證明（PoS）與工作量證明（PoW）區(qū)塊鏈間的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，為了保持有效的共識(shí)，這兩種協(xié)議的驗(yàn)證機(jī)制和激勵(lì)結(jié)構(gòu)也就自然而然的受到了人們極大的關(guān)注。

特別是以太坊多年來(lái)一直在醞釀將其區(qū)塊鏈從PoW過(guò)渡到PoS共識(shí)，來(lái)作為其‘Serenity’升級(jí)的一部分。

而在最近，Binance還發(fā)布了其即將推出的“去中心化”交易所的詳細(xì)信息，該交易所將依賴于11個(gè)驗(yàn)證器節(jié)點(diǎn)（全部由Binance控制）來(lái)確認(rèn)交易所的交易。這一信息公開(kāi)后，該公司因稱其交易所是去中心化的而受到抨擊，并一直處于“防守”的態(tài)勢(shì)中。

像Cosmos和Polkadot這樣的跨鏈項(xiàng)目正在分別利用Tendermint BFT和DPoS共識(shí)模型，來(lái)吸引互操作性和快速確認(rèn)共識(shí)的區(qū)塊鏈支持者（Cosmos正在為其主網(wǎng)Cosmos Hyb的運(yùn)行做準(zhǔn)備）。雖然與PoW相比，基于PoS的加密貨幣網(wǎng)絡(luò)提供了更好的能源效率以及更快的最終確認(rèn)速度，但它們還沒(méi)有得到大規(guī)模的驗(yàn)證，并且它們?cè)诟鞣N攻擊向量和激勵(lì)機(jī)制方面也存在著大量問(wèn)題。

此外，盡管大多數(shù)跨鏈項(xiàng)目都將重點(diǎn)放在了使用驗(yàn)證器來(lái)實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)共識(shí)上，但還是有項(xiàng)目仍然通過(guò)巧妙的方法使用PoW。比如，Block Collider使用了Nakamoto Consensus（中本聰共識(shí)）的優(yōu)化版本來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)區(qū)塊鏈的互操作，它不需要將其安全模型更改為PoS或使用驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)。

PoW是從比特幣區(qū)塊鏈開(kāi)始使用的，并且經(jīng)過(guò)整個(gè)行業(yè)實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)的、可持續(xù)的共識(shí)算法，因此在這里我們有必要評(píng)估一下基于PoS的加密貨幣網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展過(guò)程中可能存在的一些困境。

數(shù)不勝數(shù)的驗(yàn)證形式

在不同PoS網(wǎng)絡(luò)的共識(shí)中，它們通常會(huì)使用不同的名稱來(lái)對(duì)其部署的驗(yàn)證器機(jī)制進(jìn)行命名——從“樞紐（hub）”到“超級(jí)節(jié)點(diǎn)（masternodes）”。然而，它們都采用類似的設(shè)計(jì)模型，它們的驗(yàn)證器通過(guò)“驗(yàn)證”或“生成”的區(qū)塊頻率是與其在網(wǎng)絡(luò)中所持有的原生通證數(shù)量相關(guān)的，以此來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的有效狀態(tài)。

這里的驗(yàn)證器替代了PoW區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中礦工的角色，它鼓勵(lì)在系統(tǒng)中的誠(chéng)實(shí)驗(yàn)證行為，因?yàn)樵趫?zhí)行任務(wù)時(shí)，驗(yàn)證器的股份（通證）被鎖定在網(wǎng)絡(luò)中。他們會(huì)因?yàn)橥ㄟ^(guò)進(jìn)行誠(chéng)實(shí)的驗(yàn)證工作而得到網(wǎng)絡(luò)中原生通證的獎(jiǎng)勵(lì)，但如果他們的行為是惡意的，他們的股份就會(huì)被削減或扣除。

如果您想深入了解PoS驗(yàn)證系統(tǒng)的機(jī)制，Vitalik Buterin提供了以太坊的CBC Casper （PoS）機(jī)制的說(shuō)明，以及PoS的初始設(shè)計(jì)理念。

PoS的機(jī)制是非常復(fù)雜的，因?yàn)樗枰冗M(jìn)的博弈論方法，并且其不可變性是需要從主觀層面來(lái)解釋的。PoS區(qū)塊鏈分類賬本的驗(yàn)證來(lái)源于驗(yàn)證器對(duì)區(qū)塊鏈完整性的保證，而不是通過(guò)挖礦所消耗的能量進(jìn)行保證，前者的主要攻擊向量是人為的解釋（一種去信任的理想社會(huì)可擴(kuò)展性構(gòu)造），而后者的攻擊向量是能源。

此外，許多跨鏈框架需要插入網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊鏈的兼容性。例如，Cosmos需要使用fast-finality共識(shí)的子鏈，這就排除了PoW區(qū)塊鏈連接到網(wǎng)絡(luò)的能力。

正確地分析驗(yàn)證器網(wǎng)絡(luò)的一些缺陷需要我們關(guān)注兩個(gè)主要方面：

· 攻擊向量

· 不一致的激勵(lì)

驗(yàn)證器網(wǎng)絡(luò)的主要關(guān)注點(diǎn)是安全性和可擴(kuò)展性之間的權(quán)衡。

PoS網(wǎng)絡(luò)可以節(jié)約成本并享有更快的最終確認(rèn)，這兩點(diǎn)可以幫助PoS網(wǎng)絡(luò)在其規(guī)模與網(wǎng)絡(luò)完整性方面有較好的權(quán)衡，而這正是區(qū)塊鏈的基本價(jià)值主張之一。

攻擊向量

驗(yàn)證器網(wǎng)絡(luò)的不一致激勵(lì)通常與需要復(fù)雜工程搭建來(lái)避免的攻擊向量直接對(duì)應(yīng)。驗(yàn)證器共識(shí)的兩個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題是遠(yuǎn)程攻擊（Long-Range Attacks）和Sour-Milk Attacks攻擊向量。

遠(yuǎn)程攻擊（LRA）

在遠(yuǎn)程攻擊中，作惡方可以購(gòu)買擁有大量通證余額，曾在過(guò)于進(jìn)行過(guò)區(qū)塊驗(yàn)證的私鑰。當(dāng)攻擊團(tuán)隊(duì)持有的私鑰中有余額時(shí)，它們可以使用這個(gè)余額來(lái)生成一個(gè)備選的區(qū)塊鏈歷史，從而有效地使他們能夠根據(jù)PoS的驗(yàn)證系統(tǒng)來(lái)獎(jiǎng)勵(lì)自己。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出的解決方案是檢查點(diǎn)（是為防止未順利完成工作而保存工作快照的技術(shù)），但是檢查區(qū)塊鏈的狀態(tài)要求節(jié)點(diǎn)保持持續(xù)在線，并且該方案還被認(rèn)為是一種復(fù)雜的中心化解決方案。此外，遠(yuǎn)程攻擊證明從長(zhǎng)期來(lái)看，尤其是在區(qū)塊鏈的過(guò)去狀態(tài)下，PoS驗(yàn)證器網(wǎng)絡(luò)是無(wú)法保證分類賬本的有效性的。

結(jié)果表明，驗(yàn)證器網(wǎng)絡(luò)并沒(méi)有創(chuàng)建一個(gè)具有共識(shí)永久性、不可變的分類賬本，而是在給定的時(shí)間情境中創(chuàng)建了一個(gè)“臨時(shí)的共識(shí)”。

Sour-Milk Attacks

在Sour-Milk Attacks中，基礎(chǔ)驗(yàn)證器通過(guò)并發(fā)地向?qū)Φ确桨l(fā)布真實(shí)和欺詐的區(qū)塊，從而促使對(duì)等方懷疑誠(chéng)實(shí)的對(duì)等方。與此同時(shí)，這些基本節(jié)點(diǎn)與其他惡意節(jié)點(diǎn)協(xié)同進(jìn)行相同的操作，從而混淆了誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)辨別有效區(qū)塊和無(wú)效區(qū)塊的能力。

進(jìn)行這些攻擊的要求是非常少的，只要有一小部分網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證器就可以有效地凍結(jié)網(wǎng)絡(luò)、創(chuàng)建分叉并鎖定共識(shí)。

其他攻擊向量

PoS驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的其他一些主要攻擊向量包括“假權(quán)益攻擊（fake stake attack）”、粉碎攻擊（stake grinding）和針對(duì)驗(yàn)證器的DDOS攻擊，這些攻擊都會(huì)迫使驗(yàn)證器保持持續(xù)在線，從而使其蒙受損失。

尤其是在假權(quán)益攻擊中，由于檢測(cè)PoS區(qū)塊鏈的成本比PoW區(qū)塊鏈要高，因此PoS驗(yàn)證在擴(kuò)展性上不如預(yù)想的有效。而最近被披露的攻擊向量將使攻擊者以最小的代價(jià)就能使運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)軟件的節(jié)點(diǎn)崩潰。

激勵(lì)的不一致

驗(yàn)證器網(wǎng)絡(luò)的主要問(wèn)題之一是它們可能會(huì)增加“加密貨幣1%”的財(cái)富供給，在這種情況下，只有持有大量權(quán)益（通證）的驗(yàn)證器才會(huì)獲得下注的回報(bào)。由于最富有的權(quán)益相關(guān)者能夠控制區(qū)塊鏈總體供應(yīng)的很大一部分通證，那么普通利益相關(guān)者參與驗(yàn)證的動(dòng)機(jī)就會(huì)削弱。

激勵(lì)機(jī)制的削弱與用戶參與權(quán)益度低（驗(yàn)證器網(wǎng)絡(luò)最常被提及的以及最引人注意的缺陷之一）有著不可分割的聯(lián)系。低用戶參與率的結(jié)果是導(dǎo)致區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的中心化、伴隨壟斷價(jià)格的超前交易，以及更多不利后果。

驗(yàn)證器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜博弈論特性也經(jīng)常受到批評(píng)。對(duì)于錘子（博弈論和激勵(lì)結(jié)構(gòu)的工程師們）來(lái)說(shuō)，PoS共識(shí)設(shè)計(jì)中的一切都像是釘子。因此，該模型會(huì)變得異常復(fù)雜，這類似于對(duì)舊解決方案間接產(chǎn)生的問(wèn)題再設(shè)計(jì)出新的解決方案。

此外，不一致的激勵(lì)源自此類系統(tǒng)的復(fù)雜性。特別是，“Nothing at stake Problem”（假設(shè)在早期版本的PoS中，每個(gè)驗(yàn)證器都會(huì)均勻的搭建在每個(gè)區(qū)塊鏈的分叉上）是PoS驗(yàn)證器網(wǎng)絡(luò)最關(guān)心的問(wèn)題之一。在驗(yàn)證器PoS網(wǎng)絡(luò)中，Nothing at stake Problem是一個(gè)長(zhǎng)久以來(lái)的的問(wèn)題，PoS共識(shí)是不能充分解決在相同時(shí)間生成兩個(gè)區(qū)塊的這種問(wèn)題的。

反觀PoW，它通過(guò)一個(gè)隨機(jī)機(jī)制解決了這個(gè)問(wèn)題，那就是能量消耗最多的就是有效鏈。然而，PoS將這種負(fù)擔(dān)傳遞給了驗(yàn)證器，從而導(dǎo)致一個(gè)區(qū)塊可能比另一個(gè)區(qū)塊擁有更多的權(quán)益（通證）。當(dāng)驗(yàn)證器意識(shí)到將賭注壓在兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)鏈上對(duì)它們有利時(shí)，問(wèn)題就出現(xiàn)了。通過(guò)在兩條鏈上使用相同的權(quán)益，對(duì)于辨別哪條鏈才是有效鏈將變得極具挑戰(zhàn)性。

對(duì)Nothing at stake Problem的解決方案的批評(píng)再次強(qiáng)調(diào)了PoS在沒(méi)有實(shí)際解決問(wèn)題本身的情況下混淆了權(quán)益的基本問(wèn)題，從而導(dǎo)致更多的設(shè)計(jì)卷積（convolution）。

結(jié)論

雖然依賴驗(yàn)證器的網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)獲得了下一代區(qū)塊鏈平臺(tái)的支持，但是將新的共識(shí)設(shè)計(jì)置于實(shí)用性的環(huán)境中還是需要人們謹(jǐn)慎對(duì)待的。PoW是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中唯一被證明的分布式共識(shí)機(jī)制。只有時(shí)間才能證明PoS驗(yàn)證器是否能成為可擴(kuò)展區(qū)塊鏈的可持續(xù)模型，因此了解它們的缺點(diǎn)是在區(qū)塊鏈創(chuàng)新海洋中巡航的最優(yōu)方法。