试听180秒04 加密经济学的应用——共识机制

你好，我是Ben El-Baz，欢迎继续学习《激励设计：从加密经济学到token经济》第四节《加密经济学的应用》，这节课，我们来学习加密经济学在PoW,PoS,DPoS等共识机制里面的应用。

在上节课中，我们学习了博弈论，它是激励设计中的一个重要部分，让我们能够通过分析网络中所有参与者的动机，来设计相应的奖惩激励。而共识机制就是激励的一部分。

首先我们来看看比特币的共识机制——工作量证明，也就是PoW - Proof of Work。

比特币的PoW机制是第一个成功的加密经济学的应用。它很好地结合了加密学和博弈论，做到了经济学中的“激励相容的纳什均衡（Incentive compatible Nash equilibrium）”，在这种情况下，比特币矿工的最优选择是确认真实交易。PoW运用了数字签名、哈希算法等加密学手段来验证数据，使得过去的数据能被准确地记录。同时它用比特币作为挖矿人的奖励，用算力消耗及电费作为惩罚。

虽然PoW机制作为开创性的共识机制来说很有意义，但是它并不完美，这里我们列举四个PoW机制存在的问题。

第一个问题，是浪费算力和电力来挖矿。

第二个问题，是PoW机制下交易最终确认比较慢。每个交易至少需要六个确认，有时可能要等一个小时才能完成一笔交易。

第三个问题，是PoW可能面临自私挖矿（selfish-mining）的风险。自私挖矿，就是一个矿工可能会不让别人知道他发现的区块，以便给自己寻找下一个区块增加优势。

第四个问题，是对于“在错误的链上挖矿”这件事，PoW机制没有直接去惩罚，而只是通过在孤块上挖矿的收益为负，会浪费电这种方式来间接地惩罚。

之后出现的一些其他共识机制，就是试图解决PoW的问题。接下来，我会具体来分析一下。

我们先从激励的角度看下PoW，早期简单的 PoS，和以太坊升级后的Casper PoS这3种共识机制，我们来具体分析下这三者在激励挖矿上的区别。

先来看看PoW机制，矿工面临哪些选择，分别对应什么样的收益。

比如说我是一台矿机，现在我面前有A和B两条链，那么我在哪条链上挖矿收益最大呢？在PoW的机制下，我有四种可能的选项。

选项一，是我不挖矿。这时预计收入是零, 因为我就没有投入，当然就没有产出。

选项二，A链挖矿成功率是90%，我在A链上挖矿，我的预计收入是0.9。

选项三，B链挖矿成功率是10%，我在B链上挖矿，预计收入是0.1。

选项四，是我在A链和B链上同时挖矿。因为算力是有限的，所以我在A链上分配50%算力，B链上分配50%。在这种情况下，我的预计收入是0.9*50% + 0.1*50% = 0.50。

那么，你可以思考一下，如果你是矿机，你会怎么选择呢？我们对比一下预计收入，就能知道一个理性的人一定会选择选项二，只在A链上挖矿，因为它的预计收入最高。

这样看来，PoW机制是一个很好的激励设计，因为它通过激励实现了让矿工在正确的链上挖矿。

但是PoW的耗电、交易确认慢等问题仍然没有解决。所以出现了权益证明机制，简称是PoS - Proof of Stake。

简单地说，PoS就是当矿工需要确认一笔交易的真实性和准确性时，不是发送哈希值来证明，而是通过网络进行投票来确认。

但是PoS共识机制有一个缺点，就是在这种机制下，出现了“无利害关系”（Nothing at Stake）的问题。

让我们回到之前PoW的四种投票选项中。对于使用PoS机制的区块链来说，矿机最好的选择是什么呢？

四种选择的前三种和PoW情况下是一样的，但是因为PoS机制下，挖矿不需要耗费算力，只需要投票就行了。所以对于第四个选项，我可以在A链这条正确的链上投票，B链不正确的链这边也可以投票，我的预计收入就是0.1+0.9等于1，比选项二的0.9更高。也就是说，在PoS机制下，同时在A、B两条链上挖矿是比只在A链正确的链上挖矿更优的选择。

这个就是PoS中的“无利害关系”问题，为了解决这个问题，以太坊目前在开发另一种共识机制Casper PoS，它是传统PoS的改进版，目前还没有完成。Casper PoS的解决方案简单说是这样的：系统会明确惩罚矿工在错误的区块上开采。也就是说，如果我要参与挖矿，必须先抵押一些ETH在一个资金池里，当我做了不该做的事情，比如在不该挖的区块上面去挖矿，或者自私挖矿时，系统就会扣掉（deposit slashing）一些我抵押的ETH。实际上，在2014年的Tendermint BFT共识机制的白皮书中讨论了使用“削减存款”来解决“无利害关系”问题的想法，这是Tendermint的关键创新之一。Tendermint也是Cosmos使用的BFT共识协议。

所以在Casper PoS的机制下，如果一个矿机选择选项四，同时在A链正确的链和B链不正确的链上都挖矿的话，就会被扣钱，导致收益减少，所以我不得不守规则去在A链上挖矿。

有人说，如果用哈希来验证算力的PoW，可以定义为加密学验证（Cryptographic Proof）的话，那么Casper PoS就可以定义为加密经济学验证（Cryptoeconomic Proof），Casper PoS是一个很重要的创新。

PoS还有一种变体，就是委托权益证明机制（Delegated Proof of Stake），简称DPoS。

DPoS是指，所有持有token的人通过token投票选出部分节点，然后委托这些选出来的节点来验证区块。DPoS机制也是为了解决PoS中的“无利害关系”的问题。EOS和Cosmos采用的就是DPoS机制。

在EOS里，所有持有token的人投票选举超级节点，持有EOS相当于拥有投票权，然后由超级节点来验证区块。

Cosmos的机制也和EOS类似，不同的是投票选出的节点如果挖到矿，会将区块奖励按比例分享给入股该节点的用户。

那DPoS机制为什么可以解决Nothing at Stake的问题呢？

DPoS和Casper POS为解决Nothing at Stake的问题提供了不同的方法。EOS中的DPoS，因为超级节点一直在被投票，所以如果超级节点确实做了恶意行为，对多个链投票，那么社区可以投票给其他的超级节点，并将其从超级节点的候选池中删除。那么Cosmos中的DPoS，如果验证节点违反协议，会被扣掉押金，因此它认为这是一个足够强大的激励和惩罚措施，可以避免无利害问题。

EOS的超级节点投票机制也有缺点，那就是：在EOS里节点有更强烈、贿赂选民的动机。

比如P+Epsilon攻击，它的意思是一个攻击者可以影响很多人的投票的结果，而且可以零成本地实现这种攻击。为什么说是零成本呢？想象一种情况，当投票者A与多数人投票相同时，就能获得奖赏。如果多数人投1，他投1，奖励是P；如果多数人投0，他投0，奖励也是P。否则奖励是0。假设有一天大家要去投票，真正应该要投“0”，但是攻击者承诺如果投票者A投1票，并且大多数人投0票，将支付“P+E”的奖励，这强烈地激励他投1。所有其他的投票者得到相同的交易，结果是大多数人投票1，因此攻击者不花钱就能影响大多数人投一个错误的值。DPoS的系统为什么受这个攻击的影响比较大呢，是因为它的协议目前无法惩罚投票者（token voters），虽然在EOS里你要抵押token才能投票，但EOS协议目前没有规则说如果你的投票被贿赂，你的token stake就会被扣掉。但是其他DPOS系统解决了这个问题。

比如在Cosmos中，投票的token持有人必须将其token押在押金池中，如果他们或他们投出的节点做了恶意的事情，比如投票给虚假数据，或者贿赂其他人，那么他们会被扣押金作为处罚。相比起EOS，这种机制提高了作恶的成本，从而更能防止恶意行为。

DPoS和Casper PoS的主要区别是，在DPoS系统中，有认证权的节点是被token持有者选举出来的，然而在Casper PoS中，任何token持有者都可以将一定数量的ETH发送到网络中成为一个节点。Casper PoS还在发展中，具体的机制可能也会在未来随着时间发生变化。

这就是本节课的全部内容。在这节课中，我们学习了常见的共识机制的优缺点：

比特币使用的PoW机制能够激励矿工确认真实交易，但它却存在浪费资源、交易确认慢、有自私挖矿风险、没有直接惩罚孤块挖矿等缺点。

后来出现的PoS机制试图解决这些问题，但是PoS机制下，却存在“无利害关系”问题，也就是矿工同时在两条链上挖矿，比只在正确的链上挖矿，有更高的收益。为了改进这个问题，PoS的两种变体Casper PoS 和DPoS使用了不同的解决方式。

给大家留一个课后作业：你觉得哪种共识机制最好，理由是什么？欢迎在留言区写下你的思考，和我们分享。