混合 PoW/PoS 共識

作者：Richard Red，Decred 貢獻者。
混合 PoW/PoS 共識
區塊鏈共識機制旨在確保參與者就區塊鏈網絡的當前狀態達成一致。共識機制決定誰可以添加新的交易塊，其主要目的之一是確保鏈不被重寫。

工作量證明共識 具有工作量證明共識的區塊鏈（如比特幣）之所以能夠發揮作用，完全是因爲礦工使用能夠有效猜測數學問題答案的硬件。每當礦工做出正確的猜測，他就可以構建一個網絡會接受的區塊。雖然礦工可以選擇挖掘任何鏈，但網絡只會接受累積工作量證明最多（即哈希值或猜測最多）的鏈作爲合法鏈。這意味着礦工對在最長的鏈上挖礦感興趣，當他們看到一個新區塊時，他們會嘗試找到一個解決方案，讓他們能夠構建它、將其添加到網絡並獲得獎勵。
重寫區塊鏈網絡的難度使得它能夠作爲金融交易會計分類賬發揮作用。當交易出現在將硬幣發送到錢包的區塊中，並且在該區塊上構建了多個區塊（確認）時，該區塊（和交易）不太可能被覆蓋。
如果某個實體控制的哈希能力足以超越主鏈，那麼它可以使用“舊”塊而不是最新塊來重寫（或重新組織）區塊鏈。以下是對此類攻擊的簡化描述，也稱爲 51% 攻擊：攻擊者通過將區塊 X 發送到交易所來執行交易，然後開始私下挖掘平行鏈（這些區塊不會在網絡上廣播）。一旦收到所需數量的確認，攻擊者就會兌換貨幣並將其從兌換器中提取出來。當進行提款時，他們會發布一條平行鏈，如果它具有比原始鏈更多的 PoW（區塊），則網絡將接受它作爲交易歷史的合法鏈和版本，並且呈現的原始鏈（包括攻擊者的存款）將會消失。然後攻擊者可以再次使用這些硬幣。
由於礦工是唯一可以直接向基於 PoW 的加密貨幣鏈添加區塊的人，因此他們在網絡治理中發揮着重要作用。任何符合網絡規則的變更要想被接受，都需要得到大多數哈希函數的支持。軟分叉需要足夠多的礦工來識別新的規則，以便用戶可以進行交易，並期望他們的交易將被正確處理幷包含在區塊中。 “硬分叉”會將網絡一分爲二，根據普遍接受的“擁有最多 PoW 的鏈就是正確的鏈”的規則，礦工將決定哪一條鏈被視爲合法。

權益證明權益證明是與誰可以添加新區塊以及驗證區塊鏈網絡當前狀態相關的一種替代解決方案。礦工不再通過爭奪權益證明來解決問題，而是通過基於錢包中持有的貨幣數量（或“權益”）的某種流程來決定下一個區塊創建者。這一過程相信那些與此事利害關係最大的人能夠爲網絡做出負責任的決定。
權益證明消除了能源密集型挖礦的需要，但缺乏大量能源投入帶來了另一個問題，有時被稱爲“無利害關係”。如果出現鏈分叉，PoS 僞造者（通常使用“僞造”而不是“挖礦”）會受到激勵在兩條鏈上進行挖礦，因爲在附加鏈上挖礦的成本很小，並且他們可以在兩條鏈上獲得獎勵。這對於網絡來說是一個問題，因爲它最初被假設只由一條鏈組成，而就這條單鏈的狀態達成一致是共識機制的主要目的。
權益證明在代幣分配方面還存在一個額外的問題。 PoW 礦工的成本很高（硬件、電力），他們通常必須出售其開採的大部分貨幣來彌補這些成本。因此，許多開採出來的貨幣可以在市場上購買，而不是被礦工囤積起來。權益證明僞造者的運營成本非常低，因此他們不會感受到出售爲維護網絡而收到的貨幣的相同壓力。持有大量貨幣的僞造者往往會增加其在流通貨幣中的份額，因爲他們會從網絡用戶那裏收取區塊獎勵和費用。這類似於封建制度，網絡實際上由代幣所有者擁有和運營，用戶向他們支付租金來使用網絡。但也有一些限制和規則限制直接參與權益證明。

混合 PoW/PoS混合工作量證明和權益證明系統的目標是找出各自方法的優勢，並利用它們來平衡彼此的弱點。 Decred 是少數以原生形式使用 PoW 和 PoS 並將它們結合在一起以創建多因素或混合共識機制的加密貨幣之一。
“主節點幣”在某種意義上也是一種混合體，因爲它們有一個與工作量證明相關的組成部分，其作用與比特幣相同，還有一個特殊節點的附加作用。通常，這些特殊節點必須持有一定數量的貨幣，以證明它們值得信賴，能夠爲網絡的最佳利益行事，類似於權益證明。 Dash 是最初的主節點，並將此模型稱爲服務證明。本文重點介紹具有權益證明組件的混合體，並不涉及模擬主節點或服務證明的許多硬幣。
Decred 的 PoW 組件的工作方式與其他使用 Blake-256 哈希函數的基於 PoW 的項目類似。 Decred 的 PoW 組件及其編織到鏈中的方式是獨一無二的，值得進一步解釋。
爲了參與 Decred 的權益證明，持有人必須暫時鎖定他們的 DCR 來購買“門票”。單張票的售價由市場機制決定，系統爭取一定數量的現場票（40,960），如果目標數量大於價格，則價格上漲，如果少於目標數量，則價格下降。當有人購買票時，他們使用的 DCR 會被鎖定（意味着他們不能使用它），直到他們的票被僞隨機地調用進行投票或直到過期，大約 142 天。這爲 PoS 提供了機會成本，旨在確保 PoS 投票者在遊戲中有一個外殼，並且僅僅爲了網絡的利益行事。
PoS 參與者（也稱爲投票者或利益相關者）扮演三種不同的角色：對區塊進行投票、對共識規則的更改進行投票以及使用 Politeia 提案系統對項目級治理進行投票。其中第一個“區塊投票”是 PoS 選民最直接參與維持共識的方式。

投票選出區塊當 PoW 礦工找到有效區塊時，它會將其廣播到網絡，但爲了使該區塊被視爲有效，它必須包含至少 3-5 張隨機選擇的票的投票。當 PoS 選民的選票被叫到時，他們會打開錢包並準備投票（或者他們聘請投票服務提供商代表他們投票）。當 PoS 票被調用進行投票並投票時，其所有者將獲得獎勵。
當票被叫出時，他們會投票接受或拒絕前一個區塊的常規交易。 網絡中的節點只有在新區塊包含至少 3 票時纔會將其識別爲有效。如果大多數投票請求拒絕前一個區塊的交易，則它們將被返回到內存池。這些常規交易包括 PoW 礦工獎勵，但不包括 PoS 投票者的獎勵。 
因此，PoS 投票者有權剝奪礦工的獎勵，而不會影響他們自己的獎勵。這限制了 PoW 礦工否決利益相關者投票通過的網絡商定規則的修改的能力。事實上，當檢測到惡意或低效行爲時，PoS 投票者可以通過採取“不”投票政策來拒絕他們不喜歡的礦工的任何行爲，從而阻止 PoW 礦工寫入交易並獲得獎勵。
這種級別的 PoS 驗證顯著提高了網絡的安全性和對大多數攻擊的抵抗力。執行雙重支付多數攻擊的常見方法是通過祕密挖掘替代鏈來重寫區塊鏈，然後在一定時間後發佈它並利用“舊”鏈上的交易無效（即使資源成本加倍）。由於 Decred 區塊需要隨機選擇的票證的輸入才被視爲有效，並且 PoW 礦工在獲得許可之前不能創建這些區塊，因此除非礦工還控制相當一部分有效票證，否則他們不能祕密挖礦（參見這些文章）。
混合 PoW/PoS 設計顯著增加了攻擊網絡的成本，因爲攻擊者必須繞過兩個獨立的系統。 PoS 組件的具體設置使得可以獲得票證，但速度較慢。每個時段/間隔可購買的票數有限，購買最大數量的票會導致價格大幅上漲。此外，一旦購買了這些票，用於購買它們的資金將受到時間限制，使攻擊者面臨因攻擊而發生的鎖定硬幣貶值的風險。
要求每個區塊由隨機選擇的利益相關者進行投票，意味着區塊鏈在挖掘時必須可供所有參與者訪問，從而提高網絡的安全性。 Decred 的混合系統旨在讓利益相關者擁有對 PoW 礦工的權力。

對共識變更進行投票Decred 從一開始就致力於讓 PoS 利益相關者成爲區塊鏈治理的主導決策力量。共識規則包括更新批准程序，即對網絡共識規則的任何更改只有通過投票過程後才能應用。只有獲得至少 75% 投票者的批准才能進行更改。當一定比例的礦工（95%）和選民（75%）運行帶有隱藏規則變化的更新軟件時，這個過程就開始了。如果一項提案在 4 周的投票期後獲得 75% 的支持，則該提案將被接受，否則將被拒絕，如果沒有獲得多數投票者的支持，則需要重新投票。如果提議被接受，規則變更將在一個月內生效。

項目管理：PoliteiaDecred 的區塊獎勵分爲 PoW 礦工（60%）、PoS 投票者（30%）和財政部（10%），用於資助支持項目目標的開源軟件開發。持票人有權投票決定如何使用這筆資金、增加哪些功能以及使用 Politeia 平臺制定政策。

結論由於 PoS 投票者獲得了 30% 的區塊獎勵，因此他們無法通過簡單的質押來維持其在流通 DCR 中的相對份額。大多數新創建的 DCR 被髮送給 PoW 礦工，以換取他們在保護網絡和緩解 PoS 系統中“無利害關係”問題方面所發揮的作用。礦工通常必須出售他們獲得的大部分獎勵來​​支付運營成本，以確保市場上有足夠的 DCR 供應。
Decred 區塊鏈具有獨特的架構，是混合 PoW/PoS 系統最顯著的例子之一。正如採用 PoS 共識的項目是一個總體且內部存在顯著差異一樣，未來採用混合 PoW/PoS 方法的項目也將是獨一無二的，並且不一定遵循 Decred 框架。