挖矿与权益证明

区块链是由成千上万台独立计算机共同维护的共享记录。它们之中没有谁说了算，却都需要就发生了哪些交易、以什么顺序发生达成一致。让它们达成这种一致的一整套规则，叫作共识机制。目前使用最广泛的两种是：依靠挖矿的工作量证明（PoW），以及依靠锁定代币的验证者的权益证明（PoS）。

区块链为什么需要共识

设想一下，如果任何人都能随时随意添加区块，那么两个人可能发布相互矛盾的历史版本，或者有人可能试图把同一笔币花两次。共识机制的解决办法是：让提议区块变得有成本，并给所有人一条明确的规则来判断哪条链才是有效的。正是这份成本让作弊变得得不偿失：攻击者要改写历史，就得投入极其庞大的资源。

工作量证明：挖矿

工作量证明由比特币首创，比特币至今仍在使用。

挖矿如何进行

矿工把待处理的交易收集起来，组成一个候选区块。要把它添加到链上，矿工必须找到一个数字：把这个数字与区块数据组合起来，经过哈希函数运算后，结果要低于某个目标值。这里没有任何捷径，唯一的办法就是进行海量的尝试。专用矿机每秒可以尝试数十亿次。

第一个找到有效答案的矿工会广播这个区块。尽管找到答案很难，其他网络节点却能瞬间验证它。获胜的矿工将得到区块奖励，包括新产生的币和交易手续费。

难度

如果加入的矿工变多，区块就会被更快地找到。为了防止这种情况，网络会调整这道难题的难度。在比特币上，难度大约每2016个区块调整一次，让平均出块时间保持在10分钟左右。

PoW 的优点与争议

• 优点：运行历史悠久，安全模型简单且经过充分研究，安全性与难以伪造的现实世界资源挂钩。
• 争议：耗电量大，而且挖矿往往集中在矿机和电力最便宜的地方。大型矿池也把许多参与者的算力汇聚在了一起。

权益证明：验证者

权益证明用经济上的承诺取代了算力。参与者不再购买矿机、支付电费，而是锁定网络自身的币作为质押。

验证如何进行

质押了代币的参与者成为验证者。协议会挑选验证者来提议新区块，其他验证者则对这些区块进行检查和投票，这种投票在以太坊上被称为“见证”（attestation）。挑选过程是随机的，但会按质押数量加权。遵守规则的验证者可以获得来自协议的奖励以及手续费。

罚没

权益证明安全性的关键在于：作恶会受到惩罚。如果验证者试图作弊，比如签署两个相互冲突的区块，协议可以销毁其一部分质押，这被称为罚没（slashing）。仅仅是离线的验证者也可能损失少量资金。因此，攻击者需要获得全部质押代币中极大的一部分，同时还要承担失去这些代币的风险。

以太坊：最主要的例子

以太坊于2015年上线时采用的是工作量证明。2022年9月，它通过一次名为合并（The Merge）的升级转向了权益证明。要独立运行一个验证者，参与者需要质押32 ETH。持币不足或不想自己运行服务器的人，通常会选择质押服务或质押池，但这意味着要信任第三方，也会带来相应的风险。

PoS 的优点与争议

• 优点：能耗低得多，不需要专用硬件，惩罚措施直接针对攻击者的资金。
• 争议：持币越多的人影响力越大，大型质押服务商可能导致控制权集中，而且这种设计比工作量证明更复杂、也更年轻。

两者对比

• 消耗的资源：PoW 消耗电力和硬件，PoS 锁定代币
• 谁来出块：PoW 是矿工，PoS 是验证者
• 惩罚方式：PoW 中落败的矿工白白耗费电力，PoS 中作恶者的质押会被罚没
• 主要代表：PoW 以比特币为代表，PoS 以以太坊为代表

关于奖励

挖矿和质押都有奖励，但都不保证盈利。挖矿收入取决于矿机、电费和竞争情况。质押奖励随网络状况变化，质押的代币也可能贬值或被罚没。通过第三方质押，还意味着要把资金托付给这家服务商。

要点回顾

• 共识机制让相互独立的计算机能够就同一份共享历史达成一致。
• 工作量证明依靠算力保护区块链，比特币采用这种机制。
• 权益证明依靠锁定的代币和惩罚机制保护区块链；以太坊自2022年的合并升级以来一直采用这种机制。
• 两种方式在能耗、去中心化程度和复杂度上各有取舍。