前言

权益证明 (PoS) 是一种加密货币的共识机制，用于处理交易和在区块链上建造新的区块。参与者可以质押该区块链网络的代币成为节点，依据质押代币数量的多少，将有机会成为验证者来验证交易并获得区块奖励。
在区块链网络上，所有的交易都记录在被称为分散式帐本(DLT)的数据库中，由多个节点共同编写和複制，为了确保帐本的正确性，需要有共识机制来防止恶意的数据窜改。
权益证明通过要求验证者质押一定数量的代币以实现交易安全，它解决了工作量证明 (POW) 共识机制中耗费大量设备资本与能源的问题，减少了验证交易和区块所需的 CPU 工作量，是近年来受到许多区块链项目青睐的共识机制。

什么是共识机制

共识机制，是分佈式系统中所有参与者针对单一资讯来源达成一致见解的方法。中心化的系统不需要共识机制，资讯的真实与否是由控制的实体决定的。例如，在中心化的数据库中，数据库管理员拥有新增、删除、和修改数据的权利，查询数据库的使用者被动地接收来自数据库管理员的资讯。
在分布系统中，依赖大量的自治机构 （节点）共同合作维护网路，资讯的真实与否由全体共同决定。例如，在区块链的网络上，任何节点都有可能创建新区块纪录并验证交易。然而，因为设备故障、网络延迟、或是恶意攻击等因素，来自不同节点的资讯可能出现矛盾的情况，因此不同的节点间必须要有一种共识算法，使数据的纪录达成一致。
在区块链的发展历程中，最早被採用的共识机制为工作量证明 (PoW)，资讯的真实性由最大的 CPU 算力背书。由于其资本密集与耗能的问题，出现了权益证明 (PoS) 这一替代方案，资讯的真实性改由质押代币数量最大的利害关係人背书，使网络中的不同节点达成一致的共识。

什么是 PoS 权益证明

权益证明 (PoS) 的共识机制最早是于 2011 年在 Bitcointalk 论坛上，由一位化名为 QuantumMechanic 的成员提出讨论，之后 Scott Nadal 和 Sunny King 等其他参与者也协助构思，确立了权益证明的核心概念。
在工作量证明 (PoW) 的区块链网络中，交易是由称为“矿工”的网络节点提供 CPU 算力来解出複杂的数学问题，以获得新区块的记帐权和奖励。在权益证明 (PoS) 的网络中，称为“验证人”的网络节点提供加密货币存款作为抵押品，抵押数量越多的节点越有机会获得新区块的记帐权和区块奖励。
为了避免抵押金额高的验证人成为创建新区块的固定节点，挑选验证人的算法通常都会包含其他的参数，如质押代币数量、代币年龄、随机区块选取等，确保不会由固定的节点创建新区块。代币年龄指的是验证人质押代币后间隔多久时间尚未创建新区块，代币年龄越大的验证人，创建新区块的机率越高。设置代币年龄的机制，可以让质押数量较少的节点也有机会创建新区块从而获得奖励。
一般来说，权益证明 (PoS) 的运作流程大致如下：

1. 节点间会执行尚未被验证的交易，区块链网络将这些待验证的交易存放于一个池子中，等待质押加密货币的验证人处理。
2. 演算法根据一些参数 ，如质押代币数量、代币年龄、随机区块选取等 ，挑选出一个验证人创建新区块。
3. 被选中的验证人确认待验证的交易后，创建新区块并打包这些交易纪录。
4. 其他未被选中的节点确认新区块的内容是否正确。
5. 如果新区块中的交易纪录也被其他节点确认无误，添加新的区块至区块链网络中。反之，若新区块中的交易纪录有异常，则拒绝添加新的区块。
6. 新的区块被添加时，验证人可以取回质押的代币并获得该区块奖励，如果验证人选取算法有使用代币年龄的机制，则当前区块验证人的代币年龄将重置为 0。反之，若新的区块被拒绝添加时，验证人质押的代币可能会遭受到削减 (Slash) 的惩罚。
   
   图来自 coinsentinel.io

PoS 权益证明的优势

权益证明 (PoS) 被许多人认为是比工作量证明 (PoW) 更为优秀的共识机制，主要在于其以下优点：

1. 不需要高规格的设备
   参与权益证明区块链网络的设备门槛低，一般的个人端计算机即可作为节点。参与工作量证明区块链网络的CPU 算力要求很高，需要购买特制化的计算机。

2. 能源效率高
   权益证明的区块链网络不需要进行大量的哈希运算，因此运行节点不必耗费大量的能源。工作量证明的区块链网络，矿工需要互相竞争，要比其他参与者更早发现新区块，执行大量的哈希运算会消耗大量的能源。

3. 可扩容性高
   高规格设备与高能源支出是工作量证明区块链网络在扩容时所面对的主要瓶颈，随著网络规模的扩大，额外添购的设备花费与能源消耗会指数递增。权益证明的区块链网络没有这方面的问题。

4. 技术门槛较低
   架设高规格的矿机以及后续运作上的维护需要相当多的专业知识，因此工作量证明的区块链网络比较适合机构及专业技术人员参与。权益证明的结点仅需一般的个人端设备，更适合大众化的推广。

5. 更去中心化
   权益证明通过演算法确保所有的节点，无论质押数量多寡都能有效地参与区块链网络运作。然而在工作量证明的区块链网络中，绝大部分的区块生成、交易验证、以及奖励分配都被高 CPU 算力的矿机和矿池垄断，较小的节点难以与之抗衡，在长尾市场中权益证明是更佳的选择。

6. 更环保
   运行权益证明的区块链网络不需要大量能源消耗和设备规格竞争，对于环境的衝击及影响远低于工作量证明的区块链网络。

PoS 权益证明的安全性

不管是什么样的共识机制，除了要能有效地让网络中的节点顺利达成共识外，安全性是最关键的考量之一，若共识机制不安全，则网络将因恶意攻击者的入侵而瘫痪。
在工作量证明的区块链网络中，共识是通过 CPU 算力取得，因此若能控制区块链网络中超过 51% 的 CPU 算力，即可掌控该区块链网络中的主导权。攻击者可以用双重支付、拒绝或更改交易记录，或阻止他人挖矿等方式来获取利益，这个现象又被称为是 51% 攻击。
然而 51% 攻击发生的可能性会随著工作量证明的区块链网络规模扩大而降低。要执行 51% 攻击，意味著需要大量的挖矿设备提供算力并支付其能源开销，若攻击成功的报酬小于发起攻击所需付出的成本，将使得 51% 攻击变得经济上不可行。以比特币为例，自创世区块开採至今的十馀年间从来都没有出现过 51% 攻击，遍佈世界各地的比特币矿机节点提供了大量的 CPU 算力保证比特币网络的安全性。
权益证明的区块链网络同样有面临 51% 攻击的可能性，恶意的节点只要取得总质押代币总数的一半以上，就能取得区块链网络的控制权，自行伪造虚假的区块和交易记录，也就是说攻击者可以通过收购大量代币的方式来发动攻击。
然而这种攻击方式是不切实际的，收购大量的代币将因需求增加而导致代币价格上涨。发起攻击后，区块链网络会受到影响，使用者的恐慌会造成代币价格下跌。收购代币的成本通常会远大于从攻击中获得的代币价值。
比较有可能攻击权益证明共识机制的做法是勾结其他的节点，使得互相串通的节点持有 51% 以上的质押代币总数，通过结点间的合纵连横，一样可以达到控制区块链网络的目的，而不必付出太过昂贵的代价。
为了避免不同节点间出现共谋的问题，权益证明的区块链网络引入了惩罚机制，虚假的区块和交易记录若遭到其他验证人发现，发起攻击的节点可能会损失部分甚至是全数的质押代币资产，这解决了以往权益证明节点的无利害关係问题 (Nothing at Stake Problem)，也使得验证人间彼此的串通变得更加困难，因为无法确定其他节点是否愿意冒著亏损的风险共谋。
只要抵押物价值高于奖励，权益证明的验证人会发现试图欺诈的亏损将大于诚实运作的奖励，在经济诱因的驱使下，节点将会诚实地运作，因此权益证明的区块链网络在安全性方面并没有太多的问题，尤其是在市值较高的加密货币，几乎不可能发生 51% 攻击。

PoS 有哪些潜在问题?

儘管权益证明的共识机制有许多特长之处，但仍然存在一些潜在的隐患。比如，权益证明往往遭人诟病会造成“富者愈富、贫者愈贫”的现象。抵押金额高的节点会有更高的机率创建区块获得奖励，这会使得财富向持有代币数量多的验证人靠拢，使贫富不均的问题更加严重。
然而权益证明的支持者则认为，在所有的资本市场及博弈中，富者在先天上就具备了更强的竞争优势，即便是换成工作量证明的共识机制也还是会遭遇一样的问题，比起工作量证明网络的高参与门槛，人人皆可受益的权益证明已经是更佳的解决方案。
另一个常见的问题则是代币的供给较难预估，因为无法质押的节点数量可能会增加或减少，这会间接地衍生出其他问题。比如，当代币的市场价格不断下跌时，质押的节点收益可能会无法弥补继续持有代币的损失，造成大量节点解除质押抛售代币，降低区块链网络的安全性。
此外，若质押的节点数量大幅增加，也有可能造成代币供给短缺进而推升价格，这也是恶意的开发团队在抛售持有代币前，经常会使用的价格操纵手法。相对而言，工作量证明的代币供给较为稳定，不容易出现类似的状况。

除了 PoS 和 PoW 还有哪些共识机制 ?

分布式系统中的共识机制并非只有工作量证明和权益证明这两种，区块链技术在历经了十多年的发展后，已经有许多新颖的共识机制被人们所提出，在此简单介绍如下：

1. 空间证明 (Proof of Space)
   空间证明 (PoS) 是一种共识算法，网络中的节点必须要保留相当大的硬盘存储空间才有验证交易和获取奖励的资格，验证者会对提供存储空间的节点发起挑战，以确保其持续地提供这些存储空间，Chia Network 採用的即为空间证明的算法。
   
   图来自 Chia Network

2. 权威证明 (Proof of Authority)
   权威证明 (PoA) 是一种共识算法，网络中的节点不会质押代币，但需要以自己的名誉为赌注以换取验证交易的资格，因此验证者需要透露自己的真实身份才可以参与，这个过程降低了选择可疑验证者的风险，并且鼓励长期承诺，VeChain 採用的即为权威证明的算法。

3. 委託权益证明 (Delegated Proof of Stake)
   委託权益证明 (DPoS) 是权益证明 (PoS) 的一种变形，持有加密货币的用户将自己的加密货币当作选票委託给见证人，这些见证人依照受委託的加密货币数量而有名声高低的差异，被选出的见证人代表视为最受信赖的代表，拥有验证区块链交易的记帐权利，EOS 採用的即为委託权益证明的算法。

总结

权益证明共识算法通常被认为是工作量证明的演进，使用者可以质押持有的加密货币成为验证人，建造新区块获得奖励，也能和其他节点共同验证交易纪录，维护区块链网络的安全。
权益证明没有资本密集和高耗能的挖矿，对参与者而言门槛较低更为亲民，被视为是兼顾环保与去中心化的共识机制。在扩容性上权益证明的表现也更优于工作量证明，越来越多的区块链网络如 Cardano、Tezos、Avalanche、GateChain 都採用了权益证明的机制。
目前市值第二大的区块链网络以太坊，在预期 2022 年完成的 ETH 2.0 网络升级中，也从原本的工作量证明转换成权益证明的共识机制，儘管运行 ETH 2.0 的节点需要质押 32 枚 ETH ，门槛较高，但从史无前例的共识机制更换中也不难看出，权益证明确实是未来区块链发展的趋势之一。
虽然权益证明的共识机制看似改善了工作量证明所面临的诸多难题，但在区块链中仍然是较为新颖的技术，是否有其他未知的问题和缺陷，有待时间的考验及见证。