深入研究 PoW 和 PoS 优劣和取舍

在秘猿科技区块链小课堂第 26 期开始，我们开始讨论「构建加密经济背后的三大支柱之一」的共识部分，浅谈了 PoW 和 PoS 共识差异。今天我们分享前 Blockstream 共识协议、安全、隐私的研究员 Ren Zhang 来为大家深入分析 PoW 和 PoS 优劣取舍。本文节选自《What PoS Cannot Achieve (But PoW Can) And What PoW Cannot Achieve, Either》的主题演讲

秘猿科技区块链小课堂第 27 期

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安全性假设和安全属性

在分享的一开始，张韧就给出了安全性假设和安全属性关系的基本公式：

系统的脆弱性 =（理想中的安全属性 - 实际的安全属性）+ 安全性假设

从这个公式中我们可以看到，当想要建设一个更好的区块链时，我们的关键目标应该是降低系统整体的脆弱性。而要达到这个目标，我们应该做到：与之前的设计相比，新增加的安全性假设少于新增加的安全属性

或者减少的安全性假设多于减少的安全属性

本质上这就是在构建一个更健壮的架构。

然而现状是，有太多项目宣称自己是具备强安全属性的区块链 X.0，但实际上在这些安全性上的改进都包含一些前提假设，所以这也让它们各自的网络存在脆弱性。

PoW vs. PoS

熟悉 Nervos 的伙伴都知道，我们推崇比特币的 Nakamoto 共识机制。在比特币之前，（在分布式系统中）一个共识网络中的所有参与者都彼此知道其它的每个参与者。它们之间的信息会通过安全链接或者采用数字签名的方式进行传递，并且，消息对于定时的假设是异步的。

比特币引入了带有延迟的无需许可网络的概念。在比特币网络中，新的节点可以随时加入，并且可以获得可信的网络历史记录。网络的参与者不再需要知道其他参与者，信息也不再需要被可信的主体签名，而是通过广播的方式传递。

那么，如果不采用工作量证明机制，或者在一段时间内不采用工作量证明机制，这样的网络还能够正常运转吗？对于一个无需许可区块链来说，答案是否定的。

为了保证后来加入的节点能够看到可信的区块链历史，工作量证明机制必须永远持续下去。并且，节点需要随时知道网络的延迟信息，因此网络中无法采用异步协议。另外，这个网络还要求大部分节点都是诚实的。

那么，权益证明机制可以达成网络中的这些属性吗？和工作量证明机制类似，权益证明机制的运行需要一种稀缺资源作为基础。然而和工作量证明机制不同的是，如果没有可信的主体，那么采用权益证明机制的网络无法容忍较高的延迟。这意味着在某些情况中，权益证明机制系统会面临几种能够让新参与者无法分辨真实网络历史的攻击。

为了解决这个问题，采用权益证明机制的系统必定会采用由一些拥有公共身份的可信主体进行签名的检查点机制，这实际上又违背了去中心化和无需许可的这个核心信条。

在某些情况中，采用权益证明机制比采用工作量证明机制的系统有更强的安全属性。因为整个系统的价值是已知的（全网有多少 Token，Token 的价格都是公开可知的），如果大部分「价值」达成一致，那么参与者的数量就不那么相关，这样一来，网络可以绕过由于不知道所有参与者数量带来的问题。

但为了确保它们是否达成一致，所有人都必须保持在线，而这是一个很强的安全假设，并且每一个区块都必须被几千个节点签名，这会对性能产生很大的负面影响。因此，虽然参与者数量是已知的，但这并不能弥补权益证明机制相对于工作量证明机制的缺陷。