POS共识机制竟然漏洞这么多 | 分析POS共识机制的原理带来的思考

Posted 2023-02-26 lwx-apollo

序言

        上文深入比特币、以太坊源码带你解读POW共识机制我们学习探讨了POW共识机制，看完得童鞋们应该就知道POW是有几大缺点的：出块慢，共识时间长、开销大等等，那么有没有其它的共识机制能够解决这些问题呢？答案当然是：有，它就是POS共识机制。下面我们一起来看看它是怎么做到的。

概念

       全称为Proof Of Stake，又叫权益证明。POS是指矿工节点通过自己持有的代币，竞争区块签名机会，持有的代币越多，签名成功出块的概率就越高。出块成功之后，根据各个矿工签名时的代币数量进行奖励分配，简单来说就是付出成本越高，收益越高。

原理

讲原理之前，先给大家普及两个概念：难度值、nonce和币龄

难度值和nonce

        难度值和nonce在上文深入比特币、以太坊源码带你解读POW共识机制有对该名词的详细解释，这里就不再赘述了。

币龄(coinage)

        币龄，顾名思义，就是代币的年龄。那么它是怎么计算出来的呢？它有什么用呢？我们先看下它是怎么计算出来的：
coinage = 币的个数*持有时间
        看到这大家应该就懂了，币龄就是你持有可用币的时间，你的币越多，或者你持有时间越长，你拥有的币龄就越大。你的币龄越大，参与签名出块成功率就越高，因为更容易达到51%嘛。值得一提的是，当你使用币参与签名出块，无论你出块成功还是失败，你此次使用的币龄都将被清空，需要重新从0开始累计。

币龄举例

        比如你有10个币，持有了10天未发生签名投票出块，那么产生的币龄就是100；如果这时候你这10个币参与了签名投票出块，那么你拥有的这100个币龄就被花掉了，你的币数量虽然还是10个，但是币龄要被重置，变更为0。币龄在数据链上就可以取到，任何人都可以验证。

币龄/收益转换

收益计算公式：
收益 = 币龄 * 年利率 / 365
        打个比方说，你如果拥有3650的币龄，持币利率为1%，那么可获得的收益为 3650*0.01/365 = 0.1。说明该矿工此次挖矿成功可获得0.1的代币奖励。

原理

我们先看下它的有效hash计算方式：
hash (block_header) < target * coinage
        其实POS的原理和POW比较类似，系统设定好挖矿目标值target，然后矿工开始工作出块，矿工每次出块都是nonce从1开始递增进行寻找可用的nonce值，直到找到符合规则、可用的hash为止，最先找到的矿工可获得挖矿奖励。
        但是，从上面的就可以看出，coinage这个变量会造成每个矿工获得有效hash的集合大小不一样，矿工的币龄越大，也就意味着它获得有效hash越容易。且矿工参与签名的币越多，就越容易满足51%的成功出块条件，更容易获得奖励。

举例

例如当前target是4369，完整的哈希长度假设是16位.
　　A矿工的币龄是15，那么A矿工的目标值为65535，换算成十六进制就是0x000000000000FFFF。即
hash( block_header ) < 0x000000000000FFFF
　　而B矿工比较有钱，他的币龄是240，那么B矿工的目标值就是1,048,560，换算成十六进制就是0x00000000000FFFFF。即：
hash( block_header ) < 0x00000000000FFFFF
　　B矿工的可用hash集合更大，所以B矿工获得记账权的概率肯定要比A高。

优点

破解了51%攻击
        如果挖矿者发起51%攻击，就需要拥有全网51%的币或币龄，这几乎不可能办到，即使你成功地实施了51%攻击，那么也意味着作为全网最大的持币大户的你，损失也会最大。
相比POW，效率更高
        可用更快的达成共识，出块更快。
能耗低
        挖矿不依赖于大量资源的消耗。通过持币利息进行通胀。
安全性
        规则上限制了必须持币30天以上才能参与区块签名，加大了作恶成本。

缺点

趋于中心化
        POS基于权益证明机制，若代币趋向集中的化，去中心化也变相的趋向于中心化了
效率不高
        虽然相比于POW，POS的效率有显著的提升，但是还是无法满足用户的需求。

思考

币发行问题
        我们从pos的实现算法公式去看，币龄的计算公式中，假如一开始挖矿，只有创始区块中有币，也就是说其他矿机是没法参与挖矿的，因为币的个数这个值对他们来说永远是零，这也就是pos机制的缺陷之一币无法发行的问题。
币龄积攒问题
         同样是从pos的实现算法公式可以分析到，币龄其实就是时间，一旦挖矿者囤积一定的币，很久很久之后发起攻击，这样他也将很容易拿到记账权，所以我们得给每个币设计一个时间上限。
弱流通性
        设计时间上限后，虽然解决掉了部分挖矿者囤积币的缺陷，从公式中仍然看到还会面临一个问题，也就是币的数量这个因素还是会影响我们拿到记账权，很多挖矿者还会囤积代币，持币者长期不参与出块，想着长时间持币获得利息，给代币造成流通上的缺陷。目前有些平台引入币龄按时间衰弱的方案来解决这一缺陷（例如：瑞迪币）。
矿工离线攻击
        接下来让我们来看看pos共识机制还有哪方面的不足，即使上面的各种缺陷都多少有些解决方案，但例如挖矿者挖一段时间后离线，此时，时间将不纳入币龄减弱计算，这样，挖矿者通过离线时间长来囤积挖矿，同样面临灾难。
Nothing at Stake
        Nothing at Stake，又叫无成本利益问题。意思在PoS系统中做任何事几乎没有成本，比如在PoS系统上挖矿几乎没有成本，这也就意味着分叉非常方便。方便到什么程度呢，每个诚实矿工在产生孤块的时候都可以继续挖下去，反正也没什么成本，反正分叉链和主链都可以同时挖，也就是任何持币较少的用户都可以尝试分叉，并且把分叉链广播出去。这个时候如果其他诚实矿工看到了，第一反应也是没有成本，那么咱们也来挖吧，说不定什么时候就值钱了，意思就是说任何逐利的矿工并不会使这个系统变得更强壮稳定，而是更加的混乱，可能会出现分叉链长度超过主链长度。

POS我们就介绍到这里了，大家有什么不同的见解欢迎留言讨论哦