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以太坊計劃如何切換至pos機制
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文章來源:Odaily
文 | 吳鹽
出品 | Odaily星球日報(ID:o-daily)
革新還是死亡?這是個問題。
WanChain 全球副總裁李尼認(rèn)為,PoS 的以太坊比 DPoS 機制更加民主,更加去中心化。如果它被證明比 PoW 有很大優(yōu)勢,可能很多新項目就會直接也會采用 Fork 這個方式轉(zhuǎn)成 PoS。
“另一方面,以太坊實現(xiàn) PoS 后, tps 會大大提高,這樣會使一些項目從 EOS、波場轉(zhuǎn)身,重新?lián)肀б蕴粦驯??!崩钅嵋差A(yù)測,但以太坊的出塊速度,不一定有 EOS 21 個超級節(jié)點那么高效。
而以太坊黃皮書翻譯者楊鎮(zhèn)認(rèn)為,以太坊共識機制的轉(zhuǎn)換,相當(dāng)于主網(wǎng)擴容,主要解決 tps 問題,現(xiàn)在做的這個事有點騎虎難下:
“如果考慮應(yīng)用場景,需要高交互,要求處理時間,是不是一定把所有的計算步驟都在主網(wǎng)上做才可以?”
“之前大家就有過焦點爭論,二層網(wǎng)絡(luò)擴展上,把大量有交易要求的計算放在一個單獨的二層網(wǎng)絡(luò)上去做這個事情,過程驗證放在主網(wǎng)證明上就可以了?!?/p>
“我個人覺得,以太坊花這么長時間做這個事情,有點不值?!?/p>
Casper 最初的設(shè)計
探討任何一條公鏈,無法繞開共識算法這個核心概念。2013 年,PoS 算法被寫進(jìn)以太坊白皮書。
“盡管比特幣區(qū)塊鏈模型非常簡陋,但是實踐證明它已經(jīng)足夠好用了,在未來五年,它將成為全世界兩百個以上的貨幣和協(xié)議的基石?!?p>這是出自以太坊白皮書的一段話,以太坊從最開始就采用了比特幣區(qū)塊鏈 PoW 工作量證明機制。比特幣的工作量證明(Proof of Work)是通過消耗大量算力尋找合理的隨機數(shù)生成區(qū)塊驗證。
在 Vitalik 看來,PoW 不僅“交通”擁堵、浪費能源,而且逐漸邁向了中心化道路。
因為隨著挖礦難度的增大,ASIC 專業(yè)礦機應(yīng)用而生,ASIC 專業(yè)礦機的出現(xiàn),造成了算力壟斷的局面。
PoS —— 權(quán)益證明,是根據(jù)每個節(jié)點的代幣持有量與持有時間之積來決定記賬權(quán)的機制。舉例來說,如果你本金與時間之積越大,你就越有優(yōu)先記賬權(quán),記賬后乘積被銷毀,這個過程被稱作“幣天銷毀”。
相比于 PoW 的算力證明,PoS 機制可以有效減小能源消耗、縮短共識時間、避免算力中心化礦池“作惡”。
雖然在以太坊之前已經(jīng)有 PPCoin 使用 PoS 這樣的先例,但當(dāng)時 PoS 的研究和實現(xiàn)都還很不成熟。阿劍認(rèn)為“PPCoin 運行過程中出現(xiàn)了很多問題,比如‘理性分叉’問題(也被稱為‘無利益相關(guān)’問題)。當(dāng)時以太坊研究者們還沒有找到一種足夠安全的 PoS 機制。”
Vitalik Buterin 在《Casper 的過去、現(xiàn)在和未來》一文中曾提到:“以太坊的權(quán)益證明研究開始于 2014 年 1 月,是從‘劍手協(xié)議’開始的。”
Casper(security-deposit based economic consensus protocol)即以太坊的 PoS 股權(quán)證明協(xié)議。Casper 的共識協(xié)議可以通過對保證金的直接控制來約束驗證人的行為,這是與經(jīng)典 PoS 股權(quán)證明的不同之處。
2014 年 4 月,Vlad Zamfir 以志愿者身份參與以太坊的開發(fā)。根據(jù) Vlad 的說法,Vitalik 也是在那一年的維也納比特幣峰會上和他提出“劍手協(xié)議”這個概念。
“如果你在同一個層級的分叉上同時簽署了兩份協(xié)議,那么你就會失去你所能得到的區(qū)塊獎勵?!边@是 Vitalik 為了解決無利害關(guān)系(nothing at stake)時提出的想法。
后來,Vlad 正式加入以太坊的開發(fā),并在“劍手協(xié)議”的基礎(chǔ)上指出“讓驗證者存儲保證金,而且數(shù)額要比獎勵大很多,以此驅(qū)逐賄賂攻擊”。
當(dāng)時,Vitalik 和 Vlad 正著手解決賄賂攻擊問題(沒有保證金存款的 PoS 協(xié)議很容易被低成本賄賂給擊?。?/p>
2015 年初,Vlad 遇到了一個名為 Matthew Wampler-Doty 的人,Matthew 和 Vlad 提到了保證金的概念:
“在未來將會產(chǎn)生一個持有多于 2/3 的安全存款保證金的 Tendermint 驗證者卡特爾(壟斷聯(lián)盟),因為構(gòu)建最終的區(qū)塊并不需要其余驗證者的參與(這些‘非卡特爾驗證者’只持有少于 1/3 的安全存款保證金)。這些少于 1/3 的節(jié)點將被屏蔽,以至最終被移除出驗證者名單。一組新的持有多于 2/3(現(xiàn)在總量會少一點)的安全存款保證金集卡特爾將隨之產(chǎn)生,并且這一過程將會一直持續(xù)運作到僅剩(最多)兩個驗證者存在?!?/p>
Vlad 醍醐灌頂,著手研究“卡特爾驗證”,并將這一理念加入到了“劍手協(xié)議”當(dāng)中,這就是 Casper 最初的設(shè)計:劍手協(xié)議+保證金。
2015 年 3 月,以太坊開發(fā)者 Vinay Gupta 在博文中寫下了以太坊的四個發(fā)展階段:Frontier(前沿),以太坊啟動;Homestead(家園),從 alpha 走向 beta 版;Metropolis(大都會),開發(fā) Mist 和用戶交互界面并提升用戶體驗(當(dāng)時的預(yù)期);Serenity(寧靜),實現(xiàn)權(quán)益證明。
向 PoS 機制邁進(jìn)
以太坊目前有兩個開發(fā)團隊,一個負(fù)責(zé)當(dāng)前以太坊(以太坊 1.x 版本)的開發(fā)和維護,一個負(fù)責(zé)以太坊 2.0 的開發(fā)。君士坦丁堡分叉則停留在以太坊 1.x 版本范圍的升級。
以太坊 2.0 ,是相對于現(xiàn)階段的以太坊而言。2.0 將從寧靜( Serenity)計劃開啟,向 PoS 股權(quán)證明機制邁進(jìn)。
在上述文中提到的 Casper PoS 機制中,Casper 將采用兩個版本:Vitalik Buterin 版的 Casper FFG 混合證明和 Vlad Zamfir 版的純權(quán)益證明 Casper CBC 。
根據(jù)《ETH 2.0 工程指南》的作者 James Prestwich 的闡述,以太坊 2.0 測試網(wǎng)預(yù)計在今年第一季度推出。
以太坊 2.0 初期,采用 Casper FFG 機制運行和出塊。彼時,信標(biāo)鏈(beacon chain)將與以太坊 1.x 互為鏡像關(guān)系,信標(biāo)鏈為側(cè)鏈,但不具有任何功能,以太坊 1.x 為主鏈,按照原有的 PoW 機制出塊。
EthFans 編輯阿劍告訴 Odaily星球日報:“用戶在 PoW 鏈上將以太幣鎖進(jìn)相關(guān)的合約就可以獲得參與信標(biāo)鏈的驗證者資格,并得到 PoS 獎勵,但在信標(biāo)鏈上新的以太幣無法退回到 PoW 主鏈上。”
在信標(biāo)鏈分片階段,信標(biāo)鏈將產(chǎn)生 1024 個分片,每個分片有一個地址。Casper FFG 信標(biāo)鏈采用二次隨機選舉的方式完成出塊驗證并防止驗證者作惡。
驗證者需要向分片地址投入 32 個 新以太幣作為押金。信標(biāo)鏈每隔 64 個塊(1 分鐘出 10 個塊)會隨機選出 128 名驗證者作為待定委員,再由信標(biāo)鏈在從 128 名待定委員中隨機選擇出一定數(shù)量的委員組成委員會。
被選中的委員可以在各自的區(qū)塊上進(jìn)行驗證產(chǎn)生新的區(qū)塊,但委員的“任職”期限僅為 6.4 分鐘,6.4 分鐘后的區(qū)塊控制者將在下一屆的新委會中誕生。
以太坊的 PoS 權(quán)益證明,雖然本質(zhì)上屬于鏈下治理,但處理細(xì)節(jié)上則以技術(shù)手段來強化鏈上治理。
以太坊黃皮書翻譯者楊鎮(zhèn)認(rèn)為,相比于 DPoS 股份授權(quán)證明,以太坊的 PoS 想做成一個更平等的投票方式,這和 EOS 有很大差別,“我相信一句話,人性是經(jīng)不起考驗的?!?/p>
但原定于 1 月 16 日的君士坦丁堡升級與 Casper FFG、Casper CBC 均沒有半毛錢關(guān)系。
值得注意的是,在君士坦丁堡的五個 EIP 升級協(xié)議中,EIP-1234 是以太坊向 PoS 機制轉(zhuǎn)換過程中采用“溫水煮青蛙”式的既定策略。
該協(xié)議由 Afri Schoedon 于 2018 年 7 月19 日提出,協(xié)議建議將難度炸彈延遲 12 個月,并將礦工獎勵由 3 ETH 減少到 2 ETH。
該提案在去年 8 月 31 日以太坊開發(fā)人員視頻會議上被通過,并在以太坊君士坦丁堡硬分叉時執(zhí)行。
以太坊的挖礦難度隨挖礦時間成指數(shù)增長,即每產(chǎn)出 10 萬個塊挖礦難度指數(shù)擴大一倍。根據(jù)Hsiao-Wei Wang 的以太坊 2.0 構(gòu)架圖不難推測,難度炸彈預(yù)計推遲到以太坊 2.0 階段。
以太坊 2.0 構(gòu)架圖 來自 Hsiao-Wei Wang
隨著挖礦獎勵的減少和難度炸彈的影響,信標(biāo)鏈在各方利益者取得共識的時候,出塊到足夠長,信標(biāo)鏈會變成主鏈,以太坊 1.x 變?yōu)閭?cè)鏈。此時,信標(biāo)鏈將分片成 Shard chain。
探索中的曲折
2015~2016 年,Vitalik 和 Vlad 對 PoS 的研究依然處于摸索階段,而可擴展性研究中的“漁夫兩難”和“投注共識”問題又花掉了以太坊開發(fā)團隊大部分時間。
Vitalik 后來總結(jié):“我們在解決 PoS、可擴展性中的一些核心問題上遭遇了一系列失敗,Vlad 悄悄地暫停了他在 Casper CBC 中的所有工作。”
The DAO 事件、DoS 攻擊,更讓以太坊團隊在長達(dá) 6 個月的時間里幾乎無暇顧及之前的研究方向。
直到 2017 年,Vitalik 和 Vlad 的 Casper 研究出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機。先是以太坊開發(fā)了一個名為最小罰沒的協(xié)議:一旦在某輪中某區(qū)塊獲得 2/3 的驗證者同意,該區(qū)塊的父塊便被敲定,最小罰沒條件是 Casper FGG 的核心思想。
FFG 是以太坊在過渡階段的 PoW+PoS 混合共識機制。在 FFG 最初的設(shè)計中,Vitalik 將一個權(quán)益證明協(xié)議疊加在以太坊的工作量證明協(xié)議上,即區(qū)塊仍將通過工作量證明來挖出,但每 50 個區(qū)塊中將有一個權(quán)益證明檢查點( PoS 塊 )來評估確定性(Finality)。
Vitalik 興奮地講到:“這會是一種可以讓我們快速轉(zhuǎn)向混合共識的機制,并且對現(xiàn)有區(qū)塊鏈造成的沖擊也最小,然后理論上我們將有可能升級為完全的權(quán)益證明。”
為此,以太坊開發(fā)團隊還做了一個 Python 測試客戶端,用不同的 VPS、服務(wù)器和電腦通信來做測試。
Vlad 在 2017 年也發(fā)表了 Casper CBC 的論文。與 FFG 不同的是,CBC 強調(diào)"建構(gòu)中修正",協(xié)議規(guī)定:
你正式地但只是部分地指定協(xié)議。定義該協(xié)議必須指定的屬性。從滿足所有它被規(guī)定去指明的屬性中推導(dǎo)出該協(xié)議。CBC 協(xié)議中有一個叫做預(yù)估安全預(yù)言機,在設(shè)定提出一個合理估計的錯誤的例外情況,列出所有在未來可能發(fā)生的錯誤,在給定區(qū)間內(nèi),其正確性是由其建構(gòu)過程來保證。CBC 屬于純 PoS 股權(quán)證明,預(yù)計將在以太坊 3.0 中實現(xiàn)。
延遲“炸彈難度”也是在這個時候開始被提出。2017 年 6 月 21 日,EIP - 649 協(xié)議提出在君士坦丁堡升級中延遲炸彈難度,將平均阻塞時間減少到15秒以下,同時區(qū)塊獎勵從 5 ETH 減少到 3 ETH,為以太坊的過渡贏取時間。
2018 年,已經(jīng)有多個以太坊開發(fā)團隊各自嘗試分片技術(shù)的實現(xiàn)。Vitalik 認(rèn)為:
“在分片這一邊,最終變得越來越清楚的是:讓分片系統(tǒng)的核心放在 PoS 鏈上會給我們帶來更高的效率。”“變成 PoW 鏈上的一個合約,我們就不得不處理 EVM 的開銷,應(yīng)付 Gas 機制,應(yīng)付不可預(yù)測的 PoW 區(qū)塊時間;PoS + 分片 可以帶來更快的出塊時間等一系列好處?!?p>這時候“權(quán)益證明協(xié)議疊加在以太坊的工作量證明協(xié)議上”被放棄,取而代之的就是以太坊 2.0 的 Casper PoS + Sharding(分片)技術(shù)。持續(xù)的爭議
Vitalik 個人博客簡介倒數(shù)第五行上寫著: Religion: crypt。
早在 2014 年,Vitalik 就說過:“股權(quán)證明仍然是加密貨幣領(lǐng)域最具爭議的討論之一?!睍r至今日,不同的人,對共識機制問題依然有不同的看法。
“減少了能源的損耗,它不再需要通過挖礦這個方式,從理論上來說, PoS 會大大的降低中心化風(fēng)險?!崩钅嵴J(rèn)為,PoS 比 PoW 先進(jìn)很多。
礦寶負(fù)責(zé)人劉杰則認(rèn)為,PoW 沒什么不好,很多人覺得是在浪費電費,我的理解正相反:“礦工的電費實際上是靠經(jīng)濟的作用來提高 PoW 數(shù)字資產(chǎn)的安全性。那么大的資產(chǎn),才需要那么多的電費來維護它的安全和運轉(zhuǎn)?!?/p>
PoW 機制造成了寡頭壟斷,PoS 則屬于資本家的游戲。窮者越窮,富者恒富,即使以太坊擺脫了寡頭壟斷,卻難免再次陷入富者恒富的鴻溝。無論鏈上治理還是鏈下治理,共識機制的規(guī)則和程序都由人來制定。
共識機制問題,業(yè)內(nèi)爭論不休,如果上升到人類的社會治理層面,無非你管的多好,還是你管的少好。安全一定的前提下,弱中心化管理,必然帶來效率問題。
原力創(chuàng)始人孤矢則告訴 Odaily星球日報:“目前,不論 DPoS 還是 PoS ,從效率角度來看,都沒有 PoW 完美。PoW 唯一不完美的地方是太去中心化了,社區(qū)治理不好,推動很慢。但沒有辦法,效率和去中心化是非此即彼的問題,比如說我們團隊干活的時候叫 PoW ,開會的時候就叫 PoS ,因為CEO說了算。 ”
“PoS 存在就一個問題,做不出來。(PoW)以太坊已經(jīng)喊了一兩年 PoS 了,都沒做出來,代碼上也沒什么。這次一分叉升級啥都沒改嗎?不就是調(diào)了幾個 Bug,然后優(yōu)化了幾個數(shù)據(jù)嘛。”
1 月 18 日晚間,以太坊開發(fā)團隊在電話會議上就 EIP-1283 協(xié)議漏洞問題,再次將君士坦丁堡升級事件推遲至 2 月 27 日 16:56,區(qū)塊高度為 280000。
如果以太坊順利升級成功,在寧靜來臨之前,難度炸彈問題還能留給以太坊開發(fā)團隊多少時間?
阿劍認(rèn)為:“這個很難說,也許年中,也許年底。這個過程需要解決的問題還真不少,首先是確定信標(biāo)鏈上的分叉選擇規(guī)則,然后實現(xiàn) PoW 鏈上的質(zhì)押合約等?!?/p>
以太坊如果進(jìn)化到 2.0 ,最終解決的問題無外乎三點:
(1)實現(xiàn)強健的 PoS 共識機制;(2)分片;(3)將 EVM 轉(zhuǎn)成 EWASM。總結(jié)起來很簡單:一個可以穩(wěn)定高效運行的去中心化智能合約平臺。好與不好,先做出來一個再說。
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