工作量证明（PoW）与权益证明（PoS）

关键要点工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）是两种使用最广泛的区块链共识算法。核心区别在于每种算法如何选择参与者来验证下一笔交易区块。
在PoW中，矿工通过计算能力竞争以解决密码难题。在PoS中，验证者根据他们在网络上质押（锁定）的加密货币数量被选中。
以太坊在2022年9月完成了从PoW到PoS的转变，升级称为“合并”。比特币仍继续使用PoW。
这两种机制都有权衡：PoW提供了安全的长期记录；PoS提供了较低的能耗和更快的最终性，但面临不同的中心化和安全考量。
介绍区块链依赖共识机制确保所有参与者对哪些交易有效达成一致。如果没有共享的达成协议的方法，去中心化网络就无法防止欺诈或操纵。工作量证明（PoW）是最古老的共识机制，自2009年以来被比特币使用。权益证明（PoS）在2011年提出并于2012年实施，随后成为大多数新区块链网络的主导模型。
这两种机制的共同目标是保护区块链免受无效交易和双重支付的影响。它们在实现这一目标的方式、参与者的资格和所需资源上有显著差异。
什么是工作量证明（PoW）及其工作原理？工作量证明是比特币网络采用的共识算法，用于防止双重支付。它在比特币之前就存在，但在2008年发布的比特币白皮书中被中本聪进行了适应和实施。
在PoW网络中，矿工收集有效交易，竞争生成有效区块，并将其广播至网络。完整节点然后独立验证该区块及其交易是否遵循协议规则。第一个找到有效解决方案的矿工获得在区块链上添加下一个区块的权利，并获得区块奖励。区块奖励由新生成的加密货币和交易费用组成。
在比特币上，区块奖励目前为3.125 BTC（在2024年4月第840,000个区块减半后从6.25 BTC减少）。每个区块的新比特币数量大约每四年减半一次，这个事件被称为减半，直到总供应上限2100万BTC在2140年左右达到。
PoW网络的安全性来自计算成本。重写区块链要求攻击者重做所有已完成的工作，这在比特币等大型网络上代价高昂。
什么是权益证明（PoS）及其工作原理？权益证明是一种在2011年提出的共识算法，作为工作量证明的替代方案。参与者被称为验证者，他们锁定（质押）一定数量的网络本地加密货币作为抵押。协议随后选择验证者提出并证明新区块，通常按质押的数量加权。
验证者从他们验证的区块中获得交易费用（在某些网络中，还有额外的代币发行）。质押的币越多，被选中的概率就越高。与PoW矿工不同，验证者不需要专业的硬件。许多PoS网络的验证可以在比PoW挖矿所需的专用硬件上运行，尽管要求因区块链而异。以太坊的验证者可以在相对普通的硬件上运行，但一些高吞吐量的PoS网络需要更强大的机器。
对于小规模参与，许多网络提供流动质押协议和质押池，允许持有者在不运行完整验证节点的情况下为网络安全做出贡献。
工作量证明和权益证明之间的区别尽管具有保护区块链的共同目标，PoW和PoS在几个重要方面存在差异：
谁验证区块：在工作量证明（PoW）中，挖掘一个区块的概率与矿工在整个网络计算能力中的份额成正比。在权益证明（PoS）中，这个概率与质押的币的份额成正比。
设备：PoW矿工通常需要专业的ASIC或GPU硬件。PoS验证者只需要一台标准电脑和可靠的互联网连接，以及所需的质押。
能耗：PoW由于设计本身就是能耗密集型，竞争需要持续的计算努力。PoS用资本锁定取而代之，消耗的能量仅为一小部分。
奖励：PoW的奖励给予第一个解决难题的矿工。PoS验证者从他们被选中验证的区块中获得交易费用的一部分。
安全模型：PoW网络的安全性来自硬件和电力的成本。PoS网络的安全性则依赖于失去质押资本的风险。
权益证明比工作量证明更好吗？PoS支持者认为，它在关键领域优于PoW：较低的能耗、更快的交易最终性，以及对个别验证者的参与门槛较低。PoW的批评者，特别是比特币倡导者，指出PoW的长期记录为其提供了一个经过验证的安全模型，而新的PoS实施在相同时间尺度上尚未匹敌。
没有任何机制是普遍“更好”的。每种机制都有权衡，不同网络根据其设计优先级进行了不同的评估。
以太坊的权益证明转变加密历史上最重要的从PoW到PoS的转变是以太坊的“合并”，于2022年9月15日完成。以太坊通过将其原始执行层与自2020年12月以来并行运行的Beacon链（PoS协调层）合并，完成了从PoW到PoS的转变。此升级使以太坊的能耗减少了约99.95%。如果您想了解更多关于这对ETH持有者和验证者的影响，请查看学院关于以太坊权益证明的指南。
合并后的里程碑包括上海升级（2023年4月），使质押的ETH可以提取，以及验证者的稳定增长。到2026年初，约有100万活跃验证者参与以太坊的PoS共识，约有3700万ETH被质押。运行单个验证者节点的最低要求仍为32 ETH，尽管质押池允许以较小的金额参与。
PoW和PoS中的中心化风险这两种共识模型都存在中心化风险，但表现方式不同。
在PoW中，竞争挖矿的成本导致了矿池的形成。矿池从许多参与者那里聚合哈希能力，使较小的矿工能够获得稳定的收入。然而，少数大型矿池历史上控制了比特币总哈希率的显著份额。没有单个实体控制比特币51%攻击所需的多数，但矿池集中仍然是去中心化的持续关切。
在PoS中，财富集中造成了类似的动态。拥有更多质押币的验证者更有可能被选中验证区块并积累更多奖励。这种“质押越多，赚得越多”的动态引发了对财富较多参与者在网络上获得不成比例影响的担忧。质押池虽然提高了可及性，但也可能将投票权集中在池运营者手中。
安全风险51%攻击发生在单个实体控制了网络验证能力的一半以上，使其能够重写交易历史、双重支付或审查交易。此攻击的性质在PoW和PoS之间有所不同。
在PoW中，51%攻击需要控制网络哈希率的一半以上，这需要对硬件和电力的巨大持续支出。这使得对比特币等大型PoW网络的攻击代价高昂。
在PoS中，相应的攻击通常被描述为51%攻击，尽管确切的阈值因PoS设计而异，可能需要获得超过一半的质押供应。在以太坊这样的网络上，这需要数百亿美元的ETH。此外，像以太坊这样的PoS网络包括“削减”机制：行为不诚实的验证者其质押的ETH部分会被协议烧毁。这为恶意行为创造了直接的财务惩罚，除了攻击本身的成本。
市值较低的小型PoS网络更脆弱：获得足够的质押以控制网络的成本可能较低，使攻击更可行。
权益证明的缺点PoS被广泛视为比PoW在能效上有所改善，但它也带来了自身的挑战。奖励结构往往偏向于持有更多币的验证者，一些批评者将其描述为“让富人更富”：较大的质押者可以更快地积累奖励，然后再质押以赚取更多。这种动态也可能影响网络治理，因为许多PoS区块链赋予验证者与其质押比例相称的投票权。
市值较低的小型PoS网络也更容易受到针对性攻击。攻击者可以逐步获得足够的币以成为主导的验证者，利用积累的奖励逐步扩大他们的地位。
常见问题以太坊还在使用工作量证明吗？不。以太坊在2022年9月15日完成了从工作量证明到权益证明的转变，升级称为合并。从那时起，以太坊已完全成为PoS网络。比特币仍继续使用工作量证明，并没有宣布计划进行更改。
工作量证明和权益证明之间的主要区别是什么？核心区别在于每种机制决定谁验证下一个区块的方式。在工作量证明中，这个权利属于第一个解决计算难题的矿工，需要大量硬件和电力。在权益证明中，验证者是根据他们质押的加密货币数量被选中的，这需要资本而不是计算能力。
权益证明比工作量证明更环保吗？总体而言，是的。工作量证明需要持续的能量支出，因为矿工必须不断竞争以解决难题。权益证明用资本锁定取而代之。以太坊在2022年从PoW转向PoS使其能耗降低了约99.95%。比特币的PoW网络仍在消耗大量电力。
PoS网络可以像PoW网络一样被攻击吗？可以，但攻击模型不同。PoW 51%攻击需要控制大多数的挖矿能力。PoS的对应攻击需要获得大多数的质押币。在像以太坊这样的大型网络上，两种攻击形式都非常昂贵。PoS增加了一个额外的威慑：削减机制，如果检测到不诚实行为，会摧毁攻击者质押的部分抵押品。
哪种更去中心化，PoW还是PoS？两者都有中心化风险。PoW由于硬件和能源成本倾向于矿池集中。PoS则倾向于在富有的验证者中集中质押。没有一种模型可以保证完全的去中心化。去中心化的程度在很大程度上取决于具体网络的规模以及参与在实践中的分布。
结语工作量证明和权益证明代表了两种不同的方法来解决同一个问题：如何在去中心化网络中达成共识而不信任任何单一参与者。PoW有着更长的历史记录，仍然是比特币安全模型的基础。PoS已成为较新网络的主流选择，以太坊在2022年的成功转型证明了大型成熟区块链可以完成这一转变。
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