工作量證明（PoW）與權益證明（PoS）

關鍵要點工作量證明（PoW）和權益證明（PoS）是兩種使用最廣泛的區塊鏈共識算法。核心區別在於每種算法如何選擇參與者來驗證下一筆交易區塊。
在PoW中，礦工通過計算能力競爭以解決密碼難題。在PoS中，驗證者根據他們在網絡上質押（鎖定）的加密貨幣數量被選中。
以太坊在2022年9月完成了從PoW到PoS的轉變，升級稱爲“合併”。比特幣仍繼續使用PoW。
這兩種機制都有權衡：PoW提供了安全的長期記錄；PoS提供了較低的能耗和更快的最終性，但面臨不同的中心化和安全考量。
介紹區塊鏈依賴共識機制確保所有參與者對哪些交易有效達成一致。如果沒有共享的達成協議的方法，去中心化網絡就無法防止欺詐或操縱。工作量證明（PoW）是最古老的共識機制，自2009年以來被比特幣使用。權益證明（PoS）在2011年提出並於2012年實施，隨後成爲大多數新區塊鏈網絡的主導模型。
這兩種機制的共同目標是保護區塊鏈免受無效交易和雙重支付的影響。它們在實現這一目標的方式、參與者的資格和所需資源上有顯著差異。
什麼是工作量證明（PoW）及其工作原理？工作量證明是比特幣網絡採用的共識算法，用於防止雙重支付。它在比特幣之前就存在，但在2008年發佈的比特幣白皮書中被中本聰進行了適應和實施。
在PoW網絡中，礦工收集有效交易，競爭生成有效區塊，並將其廣播至網絡。完整節點然後獨立驗證該區塊及其交易是否遵循協議規則。第一個找到有效解決方案的礦工獲得在區塊鏈上添加下一個區塊的權利，並獲得區塊獎勵。區塊獎勵由新生成的加密貨幣和交易費用組成。
在比特幣上，區塊獎勵目前爲3.125 BTC（在2024年4月第840,000個區塊減半後從6.25 BTC減少）。每個區塊的新比特幣數量大約每四年減半一次，這個事件被稱爲減半，直到總供應上限2100萬BTC在2140年左右達到。
PoW網絡的安全性來自計算成本。重寫區塊鏈要求攻擊者重做所有已完成的工作，這在比特幣等大型網絡上代價高昂。
什麼是權益證明（PoS）及其工作原理？權益證明是一種在2011年提出的共識算法，作爲工作量證明的替代方案。參與者被稱爲驗證者，他們鎖定（質押）一定數量的網絡本地加密貨幣作爲抵押。協議隨後選擇驗證者提出並證明新區塊，通常按質押的數量加權。
驗證者從他們驗證的區塊中獲得交易費用（在某些網絡中，還有額外的代幣發行）。質押的幣越多，被選中的概率就越高。與PoW礦工不同，驗證者不需要專業的硬件。許多PoS網絡的驗證可以在比PoW挖礦所需的專用硬件上運行，儘管要求因區塊鏈而異。以太坊的驗證者可以在相對普通的硬件上運行，但一些高吞吐量的PoS網絡需要更強大的機器。
對於小規模參與，許多網絡提供流動質押協議和質押池，允許持有者在不運行完整驗證節點的情況下爲網絡安全做出貢獻。
工作量證明和權益證明之間的區別儘管具有保護區塊鏈的共同目標，PoW和PoS在幾個重要方面存在差異：
誰驗證區塊：在工作量證明（PoW）中，挖掘一個區塊的概率與礦工在整個網絡計算能力中的份額成正比。在權益證明（PoS）中，這個概率與質押的幣的份額成正比。
設備：PoW礦工通常需要專業的ASIC或GPU硬件。PoS驗證者只需要一臺標準電腦和可靠的互聯網連接，以及所需的質押。
能耗：PoW由於設計本身就是能耗密集型，競爭需要持續的計算努力。PoS用資本鎖定取而代之，消耗的能量僅爲一小部分。
獎勵：PoW的獎勵給予第一個解決難題的礦工。PoS驗證者從他們被選中驗證的區塊中獲得交易費用的一部分。
安全模型：PoW網絡的安全性來自硬件和電力的成本。PoS網絡的安全性則依賴於失去質押資本的風險。
權益證明比工作量證明更好嗎？PoS支持者認爲，它在關鍵領域優於PoW：較低的能耗、更快的交易最終性，以及對個別驗證者的參與門檻較低。PoW的批評者，特別是比特幣倡導者，指出PoW的長期記錄爲其提供了一個經過驗證的安全模型，而新的PoS實施在相同時間尺度上尚未匹敵。
沒有任何機制是普遍“更好”的。每種機制都有權衡，不同網絡根據其設計優先級進行了不同的評估。
以太坊的權益證明轉變加密歷史上最重要的從PoW到PoS的轉變是以太坊的“合併”，於2022年9月15日完成。以太坊通過將其原始執行層與自2020年12月以來並行運行的Beacon鏈（PoS協調層）合併，完成了從PoW到PoS的轉變。此升級使以太坊的能耗減少了約99.95%。如果您想了解更多關於這對ETH持有者和驗證者的影響，請查看學院關於以太坊權益證明的指南。
合併後的里程碑包括上海升級（2023年4月），使質押的ETH可以提取，以及驗證者的穩定增長。到2026年初，約有100萬活躍驗證者參與以太坊的PoS共識，約有3700萬ETH被質押。運行單個驗證者節點的最低要求仍爲32 ETH，儘管質押池允許以較小的金額參與。
PoW和PoS中的中心化風險這兩種共識模型都存在中心化風險，但表現方式不同。
在PoW中，競爭挖礦的成本導致了礦池的形成。礦池從許多參與者那裏聚合哈希能力，使較小的礦工能夠獲得穩定的收入。然而，少數大型礦池歷史上控制了比特幣總哈希率的顯著份額。沒有單個實體控制比特幣51%攻擊所需的多數，但礦池集中仍然是去中心化的持續關切。
在PoS中，財富集中造成了類似的動態。擁有更多質押幣的驗證者更有可能被選中驗證區塊並積累更多獎勵。這種“質押越多，賺得越多”的動態引發了對財富較多參與者在網絡上獲得不成比例影響的擔憂。質押池雖然提高了可及性，但也可能將投票權集中在池運營者手中。
安全風險51%攻擊發生在單個實體控制了網絡驗證能力的一半以上，使其能夠重寫交易歷史、雙重支付或審查交易。此攻擊的性質在PoW和PoS之間有所不同。
在PoW中，51%攻擊需要控制網絡哈希率的一半以上，這需要對硬件和電力的巨大持續支出。這使得對比特幣等大型PoW網絡的攻擊代價高昂。
在PoS中，相應的攻擊通常被描述爲51%攻擊，儘管確切的閾值因PoS設計而異，可能需要獲得超過一半的質押供應。在以太坊這樣的網絡上，這需要數百億美元的ETH。此外，像以太坊這樣的PoS網絡包括“削減”機制：行爲不誠實的驗證者其質押的ETH部分會被協議燒燬。這爲惡意行爲創造了直接的財務懲罰，除了攻擊本身的成本。
市值較低的小型PoS網絡更脆弱：獲得足夠的質押以控制網絡的成本可能較低，使攻擊更可行。
權益證明的缺點PoS被廣泛視爲比PoW在能效上有所改善，但它也帶來了自身的挑戰。獎勵結構往往偏向於持有更多幣的驗證者，一些批評者將其描述爲“讓富人更富”：較大的質押者可以更快地積累獎勵，然後再質押以賺取更多。這種動態也可能影響網絡治理，因爲許多PoS區塊鏈賦予驗證者與其質押比例相稱的投票權。
市值較低的小型PoS網絡也更容易受到針對性攻擊。攻擊者可以逐步獲得足夠的幣以成爲主導的驗證者，利用積累的獎勵逐步擴大他們的地位。
常見問題以太坊還在使用工作量證明嗎？不。以太坊在2022年9月15日完成了從工作量證明到權益證明的轉變，升級稱爲合併。從那時起，以太坊已完全成爲PoS網絡。比特幣仍繼續使用工作量證明，並沒有宣佈計劃進行更改。
工作量證明和權益證明之間的主要區別是什麼？核心區別在於每種機制決定誰驗證下一個區塊的方式。在工作量證明中，這個權利屬於第一個解決計算難題的礦工，需要大量硬件和電力。在權益證明中，驗證者是根據他們質押的加密貨幣數量被選中的，這需要資本而不是計算能力。
權益證明比工作量證明更環保嗎？總體而言，是的。工作量證明需要持續的能量支出，因爲礦工必須不斷競爭以解決難題。權益證明用資本鎖定取而代之。以太坊在2022年從PoW轉向PoS使其能耗降低了約99.95%。比特幣的PoW網絡仍在消耗大量電力。
PoS網絡可以像PoW網絡一樣被攻擊嗎？可以，但攻擊模型不同。PoW 51%攻擊需要控制大多數的挖礦能力。PoS的對應攻擊需要獲得大多數的質押幣。在像以太坊這樣的大型網絡上，兩種攻擊形式都非常昂貴。PoS增加了一個額外的威懾：削減機制，如果檢測到不誠實行爲，會摧毀攻擊者質押的部分抵押品。
哪種更去中心化，PoW還是PoS？兩者都有中心化風險。PoW由於硬件和能源成本傾向於礦池集中。PoS則傾向於在富有的驗證者中集中質押。沒有一種模型可以保證完全的去中心化。去中心化的程度在很大程度上取決於具體網絡的規模以及參與在實踐中的分佈。
結語工作量證明和權益證明代表了兩種不同的方法來解決同一個問題：如何在去中心化網絡中達成共識而不信任任何單一參與者。PoW有着更長的歷史記錄，仍然是比特幣安全模型的基礎。PoS已成爲較新網絡的主流選擇，以太坊在2022年的成功轉型證明了大型成熟區塊鏈可以完成這一轉變。
進一步閱讀什麼是工作量證明（PoW）？
什麼是權益證明（PoS）？
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什麼是流動質押？
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