工作量證明 (PoW) 與權益證明 (PoS)
目錄
前言
什麼是工作量證明 (PoW)?如何運作?
什麼是權益證明 (PoS)?如何運作?
工作量證明與權益證明之間的差異
權益證明優於工作量證明嗎?
中心化風險
安全風險
權益證明之缺點
總結
工作量證明 (PoW) 與權益證明 (PoS)
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工作量證明 (PoW) 與權益證明 (PoS)

工作量證明 (PoW) 與權益證明 (PoS)

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Published Dec 12, 2018Updated Jan 14, 2022
9m

摘要

工作量證明 (PoW) 及權益證明 (PoS) 是最常見的共識機制。主流加密貨幣採用它們來保護各自的網路。

比特幣中使用工作量證明來驗證交易及保護網路安全。除此之外,工作量證明還可防禦雙重支付。區塊鏈由稱為礦工的參與者提供保護,他們使用計算能力來角逐確認新區塊及更新區塊鏈的權利。成功的礦工將獲得網路授予的 BTC 獎勵。截至 2021 年 12 月,礦工透過對一個比特幣區塊成功挖礦,可獲 6.25 BTC 的區塊獎勵連同交易手續費。

工作量證明與權益證明之間的主要區別在於其確定誰可以驗證交易區塊的方式。權益證明是工作量證明最受歡迎的替代方案。這是一種共識機制,旨在改進工作量證明的一些局限性,例如可擴展性問題及能源消耗。在權益證明中,參與者稱為驗證人。他們無需使用功能強大的硬體來爭奪驗證區塊的機會,而是需要質押 (鎖定) 區塊鏈的原生加密貨幣。網路隨後會依據質押的加密貨幣金額選擇勝出者,勝出者將從他們驗證的區塊中獲得一定比例的交易手續費作為獎勵。質押的代幣愈多,獲選驗證人的機會就愈大。


前言

為確保區塊鏈上記錄的交易有效,這些網路會採用不同的共識機制。工作量證明 (PoW) 是最早期的證明。此機制由中本聰 (Satoshi Nakamoto) 創建,許多人認為這是最安全的替代方案之一。權益證明 (PoS) 是後來創建的,但現在可在大多數 BTC 之外主流數位貨幣專案中看到。

除了比特幣,工作量證明還用於其他主流加密貨幣,如以太坊 (ETH) 和萊特幣 (LTC)。而權益證明則為幣安幣 (BNB)、Solana (SOL)、Cardano (ADA) 及其他 BTC 之外主流數位貨幣所採用。值得注意的是,以太坊擬於 2022 年從工作量證明轉至權益證明。


什麼是工作量證明 (PoW)?如何運作?

工作量證明 (PoW) 是比特幣網路及其他許多加密貨幣採用的共識演算法,可預防雙重支付。中本聰於 2008 年發布的比特幣白皮書中提出這一機制。

從本質上來看,工作量機制決定比特幣區塊鏈如何達成分散式共識。可使用此機制以去信任化方式驗證點對點交易,無需第三方中介機構參與。

在比特幣等工作量機制網路上,交易由礦工進行驗證。這些參與者使用大量資源來確保網路繼續安全且正確地運行。在其他任務中,礦工建立並驗證交易區塊。但為爭奪驗證下一個區塊之權利,他們需要使用高度專業化的挖礦硬體來解複雜的數學智力題。
第一個設法為這些數學題找到有效解決方案的礦工有權將其區塊新增至區塊鏈,並獲得我們所說的區塊獎勵。區塊獎勵由新產生的加密貨幣及交易手續費組成。區塊獎勵中的加密貨幣金額因不同的網路而異。例如,在比特幣區塊鏈上,成功的礦工可從各區塊獎勵中獲得 6.25 BTC 連同手續費 (截至 2021 年 12 月)。不過,由於一種稱為減半的機制,每個區塊產生的新 BTC 數量每 210,000 個區塊 (大約每四年) 會減少 50%。
如希望深入了解工作量證明模型,請查閱本文:什麼是工作量證明 (PoW)?


什麼是權益證明 (PoS)?如何運作?

權益證明 (PoS) 是 2011 年推出的一種共識演算法,作為工作量證明的替代方案。此機制旨在克服工作量證明網路的可擴展性限制。權益證明是幣安幣 (BNB)、Solana (SOL) 和 Cardano (ADA) 等加密貨幣採用的人氣第二的演算法。

雖然工作量證明及權益證明在區塊鏈中達成共識的目標相同,但權益證明有不同的方式來確定交易區塊的驗證人。權益證明區塊鏈上沒有礦工。權益證明驗證人並非依靠強大的電腦來爭奪區塊驗證權利,而是依靠其所持有的加密貨幣。

為取得驗證區塊的資格,參與者需要在區塊鏈上的特定智能合約中鎖定一定金額的代幣。此流程稱為質押。權益證明協定隨後會分配參與者來驗證下一個區塊。視乎具體的網路,此選擇可隨機進行,亦可依據其所持加密貨幣 (質押) 進行。選定的驗證人可從他們驗證的區塊中收取交易手續費作為獎勵。通常,他們鎖定的代幣愈多,被選中的機會就愈高。
更多詳細資訊,請參閱權益證明 (PoS) 說明


工作量證明與權益證明之間的差異

儘管兩者都是確保區塊鏈網路安全的共識機制,但兩者間亦存在一定的差異。當然,主要區別在於工作量證明及權益證明如何確定哪個參與者驗證新交易。為增進理解,我們來看看下表:


工作量證明 (PoW)

權益證明 (PoS)

誰可以挖掘/驗證區塊?

計算能力愈高,區塊挖礦的概率就愈高。

質押的代幣愈多,您就愈有可能驗證新區塊

如何挖掘/驗證區塊?

礦工爭相使用其計算資源來解複雜的數學智力題。

通常,此演算法會隨機確定獲勝者,同時將所質押代幣的金額納入考慮。

挖礦設備

專業的挖礦硬體,如 ASIC、CPU 及 GPU

任何連入網際網路的電腦或行動裝置

獎勵如何發放?

第一個挖掘區塊的人可獲得區塊獎勵

驗證人可從他們驗證的區塊中分享到一部分交易手續費

如何保障網路安全

算力愈大,網路愈安全

質押會鎖定區塊鏈上的加密貨幣,以保護網路安全


權益證明優於工作量證明嗎?

權益證明的支持者認為,較之工作量證明,權益證明具備一些優勢,特別是在可擴展性及交易速度方面。亦有人說,較之工作量證明,權益證明代幣對環境的危害較小。相反,許多工作量證明支持者認為,權益證明作為一種較新的技術,其在網路安全方面的潛力尚未得到證明。事實上,工作量證明網路需要大量資源 (挖礦硬體、電力等),因而攻擊它們的成本更高。對於比特幣而言尤其如此,因為其是最大的工作量機制區塊鏈。

如前所述,以太坊 (ETH) 預計會在以太坊 2.0 升級中從工作量證明轉至權益證明。ETH 2.0 是期待已久的以太坊網路升級,旨在提高其效能,並解決可擴展性問題。在以太坊實施權益證明後,擁有至少 32 ETH 的任何用戶皆可參與質押,以成為驗證人並取得獎勵。

權益證明優於工作量證明嗎?是什麼讓市值第二大的加密貨幣採用新共識機制?


中心化風險

在工作量證明區塊鏈上,挖礦涉及使用計算能力來雜湊區塊資料,直至找到有效解決方案。對於現今的主流加密貨幣,找到解決方案的難度愈來愈大,而就硬體及電力而言,猜測大量雜湊的過程可能較為昂貴。

因此,一些礦工更願意在礦池中累積他們的採礦資源,以獲得更大的機會來領取區塊獎勵。一些大型礦池投資數百萬美元並控制數千個 ASIC 挖礦硬體,以產生盡可能多的算力

截至 2021 年 12 月,前 4 位的礦池總共控制 50% 左右的比特幣總算力。由於礦池的主導地位,個人加密貨幣愛好者自行挖掘區塊變得更具挑戰性。

但是,挖礦究竟有多去中心化?一方面,仍然沒有單一實體可掌控網路上的確認。若發生這種情況,可能會產生 51% 攻擊,網路將失去自身價值。有些人可能會爭論說,雖然挖礦仍為去中心化,但不再是高度去中心化。某些領域、挖礦設備生產商以及能源生產商在採礦業仍佔主導地位,並減少了工作量證明區塊鏈的整體去中心化。

權益證明共識機制採用不同的方式,來取代用於質押的挖礦算力。此機制降低了個人確認交易的准入門檻,減少了對位置、設備及其他因素的倚重。您的質押僅由您所擁有的代幣金額來決定。

不過,大多數權益證明網路要求您執行驗證人節點,以開始確認交易。這執行起來可能較為昂貴,但規模並沒有幾個礦機那麼大。用戶隨後會將其代幣質押至特定驗證人後面,為我們提供類似於礦池的模型。因此,雖然權益證明更方便普通用戶參與,但此機制仍然易受與礦池相同之中心化問題的影響。


安全風險

除了中心化風險,排名前四的礦池擁有比特幣網路的大部分算力,此事實可能會增大 51% 攻擊的風險。51% 攻擊指惡意行為者或組織對區塊鏈系統的安全性發起的潛在攻擊,他們設法控制網路總算力的 50% 以上。攻擊者可改寫區塊鏈共識演算法並實施惡意行為來牟取利益,例如雙重支付、拒絕或更改交易記錄,或阻止他人挖礦。但是,由於比特幣網路的規模,不太可能會發生這種事情。

相比之下,如果有人想要攻擊權益證明區塊鏈,他們必須擁有網路上 50% 以上的代幣。這將導致市場需求及代幣價格上漲,可能花費數百億美元。即使他們確已實施 51% 攻擊,隨著網路受到影響,他們所質押代幣的價值也會大幅減少。因此,使用權益證明共識的加密貨幣不太可能發生 51% 攻擊,對於大市值加密貨幣尤其如此。


權益證明之缺點

許多人認為,權益證明是優於工作量證明的替代方案,但值得注意的是,權益證明演算法也存在短板。由於獎勵發放機制,持有更多資產的驗證人可提升他們驗證下一個區塊的機會。驗證人積累的代幣愈多,可供質押及賺取的代幣就愈多,一些人批判說這是「讓富裕者更富裕」。這些「更富裕」的驗證人還可影響網路上的投票,因為權益證明區塊鏈通常賦予驗證人治理權。

另一個問題是採用權益證明的小市值加密貨幣的安全風險。如前所述,51% 攻擊不太可能會在更熱門的加密貨幣上發生,例如 ETH 或 BNB。不過,價值較低的小規模數位資產更易遭受攻擊。攻擊者可能會獲取足夠的代幣,從而獲得與其他驗證人相抗衡的優勢。他們可透過常常當選驗證人來利用權益證明系統。他們所賺取的獎勵隨後可用於進一步質押,他們在下一輪中被選中的機會得以增加。


總結

工作量證明及權益證明都在加密貨幣生態系中佔有一席之地,很難確定哪種共識協定更為優越。工作量機制可能會因挖礦過程中產生較高的碳排放而備受批評,但事實證明,這是一種保護區塊鏈網路的安全演算法。儘管如此,隨著以太坊從工作量證明轉向權益證明,權益證明系統可能在未來更受新專案的垂青。