以太坊pos算法

『壹』 以太坊pos模式是什么意思

POS是一种在公链中的共识算法，可作为POW算法的一种替换。POW是保证比特币、当前以太坊和许多其它区块链安全的一种机制，但是POW算法在挖矿过程中因破坏环境和浪费电力而受到指责。POS试图通过以一种不同的机制取代挖矿的概念，从而解决这些问题。
【拓展资料】
POS机制可以被描述成一种虚拟挖矿。鉴于POW主要依赖于计算机硬件的稀缺性来防止女巫攻击，POS则主要依赖于区块链自身里的代币。在POW中，一个用户可能拿1000美元来买计算机，加入网络来挖矿产生新区块，从而得到奖励。而在POS中，用户可以拿1000美元购买等价值的代币，把这些代币当作押金放入POS机制中，这样用户就有机会产生新块而得到奖励。在POW中，如果用户花费2000美元购买硬件设备，当然会获得两倍算力来挖矿，从而获得两倍奖励。同样，在POS机制中投入两倍的代币作为押金，就有两倍大的机会获得产生新区块的权利。
众所周知，第三季度的“DeFi热”促使以太坊网络上的交易量大幅增加，DappRadar 2020 Q3 Dapp报告指出，以太坊交易量在2020年第三季度猛增至1195亿美元，与第二季度相比增长了近1200%，但随着而来的是网络堵塞，交易费猛增。在今年9月9日，以太坊平均交易费用达到14美元的高度，刷新历史记录。因费用飙升，导致许多交易只能延迟。
EOS创始人BM感叹称：对于大多数正常规模的交易来说，以太坊交易费用太高了。
目前的以太坊仍然面临多重问题，首先老生常谈的是上面提到的交易处理，以太坊网络支持数千个去中心化应用程序，每秒都需要处理大量交易，而采用PoW共识机制的以太坊1.0，每秒只能处理约10-50笔交易，远小于PayPal、Visa 等中心化网络，远无法满足用户对于交易速度的需求。手续费高昂一直是以太坊被诟病的一个重要的点，V神直言，在rollups和分片完成之前，以太坊别无选择，只能忍受高额交易费。因此以太坊需要升级。

『贰』 区块链共识算法——（二）PoS共识（Proof of Stake）

2011 年 7 月, 一 位 名 为 Quantum Mechanic 的 数 字 货 币 爱 好 者 在 比 特 币 论 坛 首次提出了权益证明 PoS 共识算法. 随后, Sunny King 在 2012 年 8 月发布的点点币 (Peercoin, PPC) 中首次实现. PoS 由 系统中具有最高权益而非最高算力的节点获得记账 权, 其中权益体现为节点对特定数量货币的所有权, 称为币龄或币天数 (Coin days)

PoS是考虑到PoW的最大缺陷：浪费资源而提出的，简单来说就是 谁的权益大，谁说了算 。

PoS共识机制（Proof of Stake 权益证明）通过权益记账的方式，解决效率低下、资源浪费、节点一致性等问题。

各个节点需要满足一定的条件（如抵押一定的代币）才能成为验证节点（权益提高），系统通过算法在其中选择一部分作为出块节点（矿工），每隔一段时间重新选择，算法会保证完全随机，不可被操控。只有出块节点才能进行数据处理，争夺记账权。

权益主要由权益因子决定，可以是持币数量，也可以是币龄及两者的结合。

以太坊在之后很有可能会改用PoS进行共识，其更加符合以太坊高效率的特点。

『叁』 【Discover ETH】什么是权益证明PoS

本篇作为Discover系列文章的开篇，结合ETH2.0的目标，来谈谈权益证明PoS是什么。

在谈PoS之前，我们先来了解一下共识。共识，即达成了普遍协议。区块链实质上是一个全球性的状态机，达成共识意味着网络上至少有超过一半（51%）的节点同意网络的下一个全球状态。
共识机制 （也称为共识协议或共识算法）允许分布式系统（计算机网络）协同工作并保持安全。当前主流的共识机制有两种，分别是 工作量证明 (Proof of Work，PoW)和 权益证明 (Proof of Stake，PoS)。以太坊在设计之初就希望最终以太坊的共识机制能转变为PoS，而PoW只作为一个过渡阶段。但无论是PoW还是PoS，最终的目的都是相同的，即实现分布式计算机的共识机制。下面先简单了解工作量证明（PoW）的工作机制。

工作量证明通过矿工们完成，矿工们需要竞争创建最新区块以处理和完成交易。 获胜者将与网络中的其他节点分享最新区块，并且获得最新的特定代币区块奖励（如以太坊的以太币）。由于用户需要拥有超过网络中 51% 的算力才能够欺骗整条链，因此网络安全得以保证。 这将需要巨大的设备和能源投入，所需的开支甚至可能超过收益。
工作量证明是08年在中本聪所创造的比特币中提出的，至今已经经过了充分的考验和测试，但随着越来越多的矿工和矿池的加入，挖掘新的区块的难度指数爆发式上升，也面临的如下的问题：

PoS作为ETH2.0关键的建设目标，其作用不仅仅只是因为PoW带来的环境不友好的能源消耗，还有PoS的建设能更有力支持 分片链 （以太坊网络扩展的关键升级），更强的去中心化特性等等。下面从几个方面来简单谈谈权益证明PoS的工作过程。

在以太坊中，工作量证明的过程参与的角色是矿工/矿池。其目的是通过算力试错来反复计算，以此生成一个低于目标随机数的混合哈希。这个计算难度依赖于区块所声明的 难度 ，难度越小，有效的哈希值的集合就越小。而在权益证明中，则没有矿工这一角色，与之对应的是称之为 验证者 的角色。
在ETH2.0中，用户需要质押 32ETH 来获得作为验证者的资格。验证者被 信标链 随机选择去创建区块，并且负责检查和确认那些不是由他们创造的区块。他们不需要开采区块，他们只需要在被选中的时候创建区块并且在没有被选中的时候验证他人提交的区块。此验证被称为证明。
验证者因提出新区块和证明他们已经看到的区块而获得奖励，对于一些恶意验证者节点，也会有相应的惩罚机制使之失去质押。验证者质押的ETH越多，获得的奖励也越多。可以这样说，权益证明是一种用于激励验证者接受更多质押的机制。

前面提到了 分片链 这个名词， 分片 就是将区块链分成多条链。验证者将会在不同的分片上处理它们的分片数据，以此来提高区块链的工作效率。ETH2.0预计会有64个分片链。
验证者会被随机洗牌到不同的分片中，以防止验证者恶意操纵节点并提高链的安全性。处理不同分片之间的数据的关键角色就是 信标链 （Beacon Chain）。
信标链 是协调分片信息、管理验证者的连接不同分片的桥梁。
当用户在分片上提交交易时， 验证者 将负责将用户的交易添加到分片区块中。 信标链 通过算法选择验证器以提出新的块。如果一个验证者没有被选中提出一个新的分块，它们将会证明另一个验证者的提议，并确认一切都正常。
至少需要 128 个被称为 委员会 （ committee ）的验证者来证明每个分片块。委员会有一个提出和验证分片区块的时限，这个时限被称为 插槽 （ Slot ），大约为12秒。 每个插槽只能创建一个有效区块，一个 周期 （ Epoch ，大约6.4分钟）有 32 个插槽。
每个周期过后，委员会都由不同的、随机的参与者解散与重组，重组过程由一个半随机算法 RANDAO 来选择，以此避免恶意节点的操纵。

ETH2.0使用 Cassper 终局协议来确认一个新的区块是否得到足够的证明，即只要2/3的插槽同意（即当前参与计算的2/3的验证者节点），该区块就会被最终确定。而推荐此区块的验证者将获得奖励。因此，在权益证明的机制下，每过6.4分钟就会创建一个新的区块。关于Cassper协议的详细说明后续再进行探索。

权益证明的建设以太坊在15年就已经提出，截止至今也才完成了Phase 0信标链的建设。而下一阶段的与主网合并，再下一阶段的分片链建设也一再推迟。虽然PoS的建设非常缓慢，但无论如何，权益证明作为主流的共识机制算法之一，也是值得我们探讨其设计原理。
后续将会针对信标链的详细设计、分片等ETH2.0内容进行探索。