分会动态 | 中国电子学会区块链分会专家解读“全球十大突破性技术”——权益证明

一种确保数字货币安全的替代方法可以结束加密货币的能源消耗困境

（图片来源：MIT Technology Review 官网）

编者按：

自2001年起，MIT Technology Review 每年都会评选出年度“全球十大突破性技术”，不少在当年崭露头角的技术，如今已经深刻地改变了我们的生活，推动了人类社会的进步。2022年2月23日，MIT Technology Review 发布了2022年“全球十大突破性技术”，“权益证明（Proof of Stake，PoS）”与“新冠口服药”“实用型聚变反应堆”“终结口令”“AI 蛋白质折叠”等技术一起名列其中。这些上榜的科学技术突破代表了当前时代科技发展前沿和未来方向。为深入了解区块链领域“PoS权益证明”的科学价值及其背后的科学故事，中国电子学会区块链分会副主任委员、电子科技大学网络空间安全研究院院长、教育部“长江学者”特聘教授张小松对其进行了深入解读。

权益证明（Proof of Stake，PoS）：

共识算法是区块链技术的核心，通过算力竞争的“挖矿”工作量证明机制消耗了全球太多的电力和计算资源，一直为人诟病。而PoS权益证明机制则有望彻底摆脱这一困境。PoS算法的突出特点是引入了币龄的概念，币龄越长，权力越大，挖矿难度越低，所获奖励越多。这样节点不需要消耗过多的外部算力和资源去竞争记账权，一定程度上还缩短了达成共识的时间，提升了系统运行性能。

专家解读：

2008年题名为“Bitcoin：a peer-to-peer electronic cash system”的论文发表至今，基于分布式账本技术的区块链在全球产生了巨大深远的影响，而实现分布式系统强一致性及最终一致性达成的共识算法无疑是区块链技术体系的核心，其本质是要解决在分布式网络环境下，如何让所有的节点对窗口内发生事务的顺序和内容正确性达成共识，确保系统内同一个事务处理的可靠和可信，为实现区块链去中心化、开放自治提供机制的支撑和保障。

对于严格维护去中心化机制的“公有链”（Public Blockchain）系统，工作量证明（Proof of Work, PoW）毫无争议是目前最具认可度的共识算法，在全球影响力最大公有链比特币和以太坊系统中均予以采用。PoW的原理是区块链中各个节点通过算力计算哈希（Hash）难题，其中最先解决难题的节点将获得区块记账权，从而以算力竞争的方式保证数据的一致性，这一过程又俗称“挖矿”。PoW机制可以表达为：H（param||nonce）

（1） 能源浪费巨大。截至目前，采用PoW共识算法“挖矿”的比特币系统，产生一枚比特币的耗电量大约在20万度到30万度之间，导致全球范围内的比特币挖矿能源消耗非常巨大，剑桥大学替代金融研究中心数据显示，仅比特币挖矿年度消耗的电量高达1 300多亿度电，比很多国家的年度用电总量都要高。

（2） 业务性能很低。PoW共识算法要求每笔交易及其区块都要获得所有节点的确认，才会被记录到账本中，而随着网络规模的扩大，共识的耗时必然提升，目前比特币和以太坊系统的共识速度平均仅约5笔/秒左右。虽然有试图以增加区块大小和降低出块时间间隔来提升交易速度的其它衍生公链系统，但是它们仍无法避免出现分叉概率上升的风险和交易效率降低等问题。

（3） 算力集中风险。在巨大的利益驱动下，越来越多的专业挖矿算力节点加入到比特币和以太坊系统，甚至出现多个节点联合挖矿形成了的几大矿池占据多数算力的局面，明显违背了区块链去中心化基本原则和设计初衷。

权益证明算法正是为弥补PoW不足应运而生。PoS算法由PeerCoin创始人Sunny King和Scott Nadal提出并实现，其突出特点是引入了币龄的概念，将消耗币龄（代币数量与时间的乘积）与计算hash散列的工作量一起作为记账权分配的准则，从而等比例的降低hash运算的难度。PoS机制可以表达为：工作量证明hash()<总目标值，而总目标值=币龄X目标值target。因此节点不再是仅依靠算力去竞争记账权，而是通过长期持有或者获得更多的币去增加币龄。与PoW算法相比，PoS算法是在一个有限的空间里进行共识，不需要消耗过多的外部算力和资源，可以有效地弥补PoW的劣势，并且能够在一定程度上缩短达成共识的时间，提升系统运行性能。

股权授权证明（Delegated Proof of Stake，DPoS）基于PoS演化而来，由Block.one公司开发的企业操作系统（Enterprise Operating System，EOS）是第一个采用DPoS的公链项目。DPoS在完成共识的过程中不需要消耗大量的算力，大大提高了区块的生成速度和交易确认效率，同时不会出现PoS机制中富有节点长期支配记账权的情况。

以太坊由于其率先实现了图灵完备的智能合约子系统，目前已经是全世界应用生态发展最好的公有链系统，为解决以太坊面临的网络拥堵、运行节点的算力要求门槛高、PoW机制能耗巨大等困境，从2015年以来以太坊开发团队就一直致力于共识机制的切换研发：（1） 利用分片链来减轻节点验证者的工作量，解决可扩展性问题；（2） 利用信标链随机分配验证者降低作恶概率，保证安全；（3） 利用PoS机制降低节点门槛并保障生态的可持续发展，并最大程度上实现去中心化。

以太坊信标链已于2020年底上线。2022年4月11日，以太坊完成了网络的第一个影子分叉（Mainnet Shadow Fork），启动了一个从PoW过渡到PoS的合并测试网。预计2022年以太坊将完成由PoW到PoS的切换，并由此形成世界范围内节点数最多，应用生态最大的公有链系统，并将进一步推动区块链技术发展。

来源：微信公众号《中国科学基金》