从“非主流”到主流：PoS共识的演进

众所周知，区块链本质上是一种分布式账本技术。 如何让多个节点同时参与记账，保持账本的一致性是区块链的核心问题之一。 不同的公链会采用不同的共识机制。 为了解决这个问题，现有的主流共识机制的共同点是，它们的目标都是能够随机选择出块人，让他们有记账权和出块权。

我们先回顾一下 PoW 的工作原理

以比特币为代表的 PoW 共识机制利用了哈希函数计算的不可预测性。 这种不可预测性要求矿工不断尝试计算以解决给定的数学问题。 计算正确的概率是完全随机的。 它为随机出块提供了很好的保障比特币共识协议，同时每个出块人需要付出大量的计算工作，这也是PoW（Proof of Work）这个名字的由来。 但随着越来越多的算力参与挖矿，挖出新区块所需的算力也越来越高，其挖矿设备昂贵、耗电大等问题时常被人们诟病。 而且，为了收回硬件和电力成本，矿工通常会立即在交易所出售挖出的比特币，这样矿工和持币者的身份并没有太多重合，他们之间的利益冲突也影响了生态的发展社区的。 不利。

PoS机制的诞生

在 PoW 机制下，出块概率与算力大小有关。 后来者尝试用持币量而不是算力作为证明依据。 他们的研究都指向一个问题：在不消耗物质资源的情况下，我们能否达到 PoW 安全级别？ 2011年，Proof of Stake的概念首先由一位名叫Quantum Mechanic的网友在著名的比特币社区Bitcointalk论坛上提出。 文章如期提出了很多至今仍在沿用的解决方案，比如以持币代替算力权重、委托权益、奖励分配等等。

最先将PoS机制的思想应用到实际区块链项目中的是SunnyKing（网名，其实体也很神秘）领衔的点点币（Peercoin）。 从2011年Quantum Mechanic提出PoS，到2012年SunnyKing到2010年8月实现，用了一年多的时间，Peercoin的市值一度达到所有加密货币市值的第三位，仅次于比特币和莱特币，但因为没有投资支持，也缺乏进一步发展的资源，之后点点币市值暴跌。 随后的2013-2015年间，Nxt、Blackcoin、Shadowcoin等应用PoS机制的加密货币相继出现，但都逐渐淡出人们的视线。

总结这些项目存在的问题，一是当时PoS技术还没有完全发展起来，这些项目处于早期探索阶段，公链的运行效果没有达到预期； 二是对PoS矿工的激励比例尚未确定，每年1%~2%的增发率无法覆盖矿工的运营成本。 除了项目刚上线时币价上涨，吸引了大量矿工入场。 后来在熊市中币价稳定甚至暴跌。 矿工没有看到好处就离开了市场。 身价也大幅下跌。

Delegate：解决随机问题，提高质押比例

正如文章开头提到的，共识机制的目标是随机选择下一个区块生产者，但早期的 PoS 机制并不能很好地解决这个问题。 他们往往在区块链中使用一个随着人的行为而变化的参数（比如前一个区块的哈希值）作为随机种子，然后根据这个随机种子生成一个伪随机数，使得随机数成为可能要预测甚至操纵的数字。 2013年12月，BM（Daniel Larimer）在论坛上首次谈到随机问题可以通过代币持有者投票根据自己的权益选择区块生产者来解决，因为投票的结果有大量参与者的行为确实是一个不可预测的人类行为事件。 这种允许代币持有者通过代币质押和投票的方式将验证区块的权利委托给专业节点的机制称为DPoS（Delegate Proof of Stake）。 BM随后将其应用在Bitshares项目中，搭建了适合DPoS架构的石墨烯平台。 这种石墨烯技术后来成为了 DPoS 机制的通用底层。 BM后续的两个项目Steemit、EOS和LOOM等项目都是基于石墨烯平台搭建DPoS公链。

EOS、Tron等DPoS公链都配备了固定数量的超级节点。 只有得票数名列前茅的超级节点才有出块权。 虽然理论上代币持有者的投票是一个随机过程，但它也会滋生拉票行为。 同时，在投票状态确定后，该类DPoS公链的超级节点将按照固定顺序轮流出块，而不是随机出块。 这类公链的去中心化程度因此存在争议。

DPoS 机制的另一个发展方向是保留代币持有者质押委托给节点的机制核心，但不限制节点数量，同时每块生成的时间。 像Tezos、Wanchain这样的新项目，以及像Cosmos这样的热门项目，需要满足公链设定的一定条件才能成为它们的节点，但节点数量没有限制。 一般需要质押一定数量的代币，满足节点运行的要求。 电脑配置。 由于委托/授权机制的存在，没有足够数量代币或节点不具备稳定运行条件的持有者也可以参与挖矿，通过Staking获得分红。 因此，DPoS 机制大大提高了全网的 Staking 比例。 公链已经达到了80%甚至90%以上，与之前时代的PoS公链相比无疑是一个很大的进步，大大提高了公链的安全性。

大多数PoS公链都意识到质押分红对持币者的激励作用，所以新项目往往会有严格的分配比例和分配规则内置在机制中，比如Tezos和SunnyKing最新的项目V System，不同于以往，DPoS项目依赖节点承诺收益和分红的比例。

学术“奇葩”应用：BFT+PoS

拜占庭容错算法（BFT）源于1982年的拜占庭将军问题，其本质是在被攻陷的通信网络中实现分布式协议的问题。 在互联网时代只需要解决容错问题，所以 BFT 算法没有任何作用，一直不为学术界外所知，直到中本聪将其设计到区块链方案中。 PoS 公链环境中的第一个应用是 Jae Kwon 提出的 Tendermint 算法。 令人惊讶的是，BFT 算法和 PoS 机制似乎体现出极好的兼容性。 BFT容错可以给分布式网络带来可观的收益。 抗风险能力，以及对网络一致性的高度重视，使区块确认具有最终性，带来更快的区块确认速度，解决分叉问题。 如果说纯 PoS 相比 PoW 只是解决了能耗问题，那么与纯 PoS 相比，BFT+PoS 将进一步解决 PoW 的交易确认、交易分叉、性能低等问题。 其带来的飞跃不容忽视。 毕竟，与区块链短短十年的发展时间相比比特币共识协议，BFT算法的安全研究已经过去了30年。

BFT+PoS 混合共识机制虽然在 2014 年提出，但在主流项目中实施较晚。 2018年，EOS在最新版白皮书中升级了共识机制，由DPoS升级为BFT+DPoS。 随后，特所思也推出了类似的BFT+PoS机制。 同时，以太坊选择的最有可能的PoS机制——Vitalik Buterin主导的CFFG算法，也应用了BFT+PoS的思想，而Tendermint提议者Jae Kwon创立的Cosmos主网也将于2019年上线，而另一个即将上线的跨链项目Polkadot的GRANDPA共识也被确认为BFT+PoS共识。 虽然落地时间较晚，但应用BFT+PoS机制的项目近两年呈现井喷之势，不乏热门明星项目。 因此，BFT+PoS共识机制有望成为未来几年的热门机制。

未来之道：更安全、更高效

公链的性能主要通过三个方面来衡量：安全性、效率和去中心化。 在共识机制升级之前，EOS被认为是牺牲去中心化程度来提高效率。 因此，不可能同时在三个方面实现高性能。 但在共识机制升级为BFT+DPoS，以及其他BFT+PoS项目上线后，DPoS公链去中心化程度逐步提升，机制逐步完善。 未来PoS机制发展的重点将是在保证去中心化的基础上，继续提高安全性和效率。

安全程度主要包括两个方面，一是区块生产者选择的随机程度，二是参与区块验证的程度。 虽然 DPoS 机制和随机数算法部分解决了随机问题，但真正的随机数的生成仍然是一个几乎不可能完成的挑战。 因此，现有随机选择的节点仍常被质疑为伪随机，存在安全隐患。 市值第二的PoS公链项目Cardano，致力于解决随机数问题。 其创建的 Ouroboros 共识算法被认为是第一个具有科学证据证明其安全性的权益证明协议。 麻省理工学院机械工程与计算机科学系Silvio Micali教授及其合作者提出的Algorand协议应用了一种新的拜占庭共识协议，可以证明参与每一轮投票的验证者是随机选择的，比随机性更高。之前的 PoS 共识。 不可预测且更难操纵。 这就是 PoS 共识在随机性上的发展。

在参与区块验证方面，大部分项目以高收益吸引社区参与Staking，部分新项目在制度机制方面进行了特殊设计，如投票更便捷、分红规则更细化等。透明的。 Cosmos设计了当全网质押率低于2/3时年增长率为22%，当质押率高于2/3时为7%，以鼓励持币者参与质押，并且最终全网质押比例达到74% %，为Cosmos的稳定运行提供了保障。

Cosmos 代币价格和质押年收益率