POS:詳解PoW和PoS共識機制：比較以太坊和Moonbeam的環境影響

TL；DR

并不是所有區塊鏈都會造成巨大的能源消耗，人們往往認為共識機制是純粹的資源浪費；主流的共識機制有Pow和PoS，兩者是實現路徑完全不同，PoS對比PoW的能源消耗通常能節省99%左右，這也讓PoS擁有更加環境友好型的選擇；PoW機制通過計算能力的方式保證網絡安全，但會消耗大量電力；PoS機制通過質押、罰沒機制等維護網絡穩定；以太坊向PoS共識的轉變將減少超過99%的能源消耗；波卡的PoS共享安全模型是比PoW共識機制更高效的替代方案；粗略計算表明，Moonbeam和波卡的能源消耗加在一起也只會使用以太坊的PoW共識機制的0.001%正如大多數愛好者所知，區塊鏈是一個數據庫，在形成單個網絡的多臺計算機之間維護和共享。為使區塊鏈正常運行，與之交互的所有人都必須看到相同的數據，意味著每一臺在網絡中的計算機必須同意鏈上的每一個區塊及其整體狀態。為確保可以達到一致協議，區塊鏈需要一個共識機制。圍繞這些共識機制存在相當大的爭論，主要集中在每個帶來的能源消耗或效率上。這種能源消耗會與實體數據庫和其他現有的技術相比較，但通常根本不會參與對比，相反，直接被視為浪費，對全球可持續性發展產生負面影響。這個議題已經變得更有實時性，因為以太坊在最近稱為“合并”的事件中，正改變其底層共識機制。本文將探索這些相互競爭的共識機制，并通過對比以太坊和Moonbeam網絡，闡述他們如何在各自能源消耗和碳足跡各不相同。1

區塊鏈的基本知識和能源誤解

有一個關于區塊鏈的常見誤區，所有區塊鏈都是對能源資源的巨大消耗，對氣候變化有重大影響。事實上，消耗取決于共識機制。不是所有區塊鏈都是相同的，而且其中多數區塊鏈十分高效。另外，這些對比通常忘記考慮這些已被去中心化的數據庫取代的系統，以及相抵消耗的能源。如今最常見的兩個共識機制是工作量證明和權益證明。通常，PoS對比PoW的能源消耗能節省99%左右，這也讓PoS擁有更加環境友好型的選擇。總結來說：工作量證明和權益證明工作量證明和權益證明是兩個主要的共識機制種類兩者均允許計算機針對網絡狀態達成一致并對其進行保護，但兩者的實現卻截然不同從根本上說，權益證明對環境更友好工作量證明

4月份NFT銷售額約為7.32億美元，環比下降5.76%:金色財經報道，據CryptoSlam數據，4月份NFT銷售額為7.3212億美元，與3月份的7.7688億美元相比下降5.76%。在這些銷售額中，其中，基于以太坊的NFT銷售額占據市場主導地位，交易額達4.85億美元。然而，與3月份的數據相比，4 月份以太坊NFT的銷售額下降了19%。與此同時，基于Solana的NFT銷售額錄得8816萬美元，較上月下降6.78%。繼以太坊和Solana之后，4月份NFT銷售額排名前五的區塊鏈分別是Polygon、Immutable X和BNB Chain。

4月份最暢銷的NFT系列是Bored Ape Yacht Club (BAYC)，其銷售額為4510萬美元；Azuki是銷售額第二大的NFT系列，銷售額為2191萬美元；其次是Nakamigos和Mutant Ape Yacht Club。（Bitcoin.com）[2023/5/1 14:36:46]

工作量證明機制已經歷經許多年的測試，并證明了其在提供安全和去中心化方面的有效。工作量證明被認為是構建和維護鏈的最安全方式的絕佳的記錄，Bitcoin和Ethereum區塊鏈的狀態就是證明。總的來說，工作量證明機制致力于加大誰能創造下一個區塊的預測難度，以此保障網絡安全。也就是說帶著惡意的個人或者組織將非常困難地插入欺詐區塊。在工作量證明中，大部分的能源花費在選擇誰是下一個區塊的作者。Mining保護PoW網絡因區塊鏈是去中心化的網絡，任何人可以加入并給鏈添加新的區塊。為此，必須使用專門的計算能力來解決任意難度的數學問題，同時消耗大量電力。這個過程為mining。其工作方式是miner總是必須以比攻擊者更高的速度“工作”以為鏈提供安全性。實踐中，要超越惡意行為者，miner不僅應該擁有高效的硬件，因為攻擊者也可以使用，而且還要擁有更多的計算能力，這通常會導致更高的能源消耗。最終，miner的計算機必須證明其比攻擊者花費更多算力以解決謎題，從而通過抑制網絡中的惡意行為來確保網絡的安全性。權益證明

《富爸爸窮爸爸》作者：比特幣是商品，將購入更多比特幣:金色財經報道，暢銷書《富爸爸窮爸爸》作者 Robert Kiyosaki 近日發文表示，其正在投資比特幣，因為它和黃金、白銀和石油一樣被歸類為商品。他補充說，大多數加密貨幣都被歸類為證券，SEC 的法規將會粉碎其中的大部分。他將購入更多比特幣。[2023/1/1 22:19:24]

和PoW不同，權益證明通常不需要個人在計算能力的積累中競爭加入網絡。相反，網絡參與者需要通過質押，將質押的資產作為抵押品，才能夠在鏈中驗證區塊。PoW集中在使得系統變得難以參與，而PoS則是集中在使系統在經濟上對參與不利。PoS越大越有價值，攻擊的成本就越高。質押保護PoS網絡質押機制因鏈而異，執行安全機制的規則也有不同的方式，在本文中不做闡述。例如，在以太坊的權益證明中，若想要生產區塊，需要質押ETH從而成為網絡中的驗證人。若從硬件的能源消耗來說，PoS的效能會比PoW顯著更高。雖然驗證人的功能與miner表現類似，他們無需存儲物理硬件。更重要的是，不會浪費大量的算力。這是因為網絡的安全性是與參與者的質押量緊密聯系的，驗證人遵守規則參與并獲得激勵。在一些情況下，如果他們不遵守規則，因驗證人而綁定的資產可能會被遭受重度懲罰而大幅減少。Slashing是指驗證人和/或質押人失去一部分質押資產的懲罰。波卡就是使用這個共識機制的眾多網絡之一。2

通過波卡權益證明的設計體現Moonbeam的高效性

波卡的PoS系統使用一個共享安全的模式，提供了一個比一般PoS系統更高效的共識機制。最近來自Messari的一份研究報告證實波卡的能源消耗比其他的PoW和PoS競爭對手要小的多。作為在波卡上的頭部平行鏈，Moonbeam依賴于“中繼鏈”提供的共享安全性。實踐中就意味著Moonbeam的Layer1鏈上生產的區塊經過中繼鏈得到最終確認——平行鏈不負責最終確認。這就創建了一個系統——多個Layer1鏈平行運行，生產所需的區塊，但能夠有效地利用共享的安全機制。最后，波卡和Moonbeam不僅更節能，并且由于他們的環境足跡非常小，如通過購買碳信用等碳抵消策略，更進一步并轉向碳中和網絡是非常可行的。3

過去一周，NFT交易聚合器Blur總交易額翻倍至1380萬美元:10月28日消息，據Dune Analytics數據顯示，NFT交易聚合器Blur自推出測試版本以來已完成超4.9萬筆交易，有超15.6萬枚NFT售出。過去一周，Blur總交易額從約660萬美元增長到超1380萬美元，實現翻番。

此前報道，在經過4個月的內測階段后，NFT交易聚合器Blur已于10月20日正式上線，自推出測試版本以來其已完成超2.5萬筆交易，有超9.8萬枚NFT售出，總交易額近660萬美元。[2022/10/28 11:52:52]

比較對環境的影響

PoW和PoS各有利弊，前者對環境造成影響往往超過是否支持后者的爭論。隨著網絡用戶數量近年來的增長，這變成了一個更大的問題。好幾篇在業界備受尊崇的科學期刊中發表的文章討論了挖BTC對環境的影響，預測長期mining會對地球有著嚴峻的后果。然而，這些文章使用的研究方法似乎沒有一個是能得出準確結果的，所以PoW究竟有多少不好的影響仍然沒有確切答案。不過這并不改變PoW會導致全球變暖以及擁有大量碳排放的事實。幸運的是，當mining的環境影響變成廣泛學術界和媒體對于區塊鏈的主要批評點時，越來越多新老團隊已經開始向PoS倚靠了。以太坊基金會就是其中一個團隊，該團隊現在已經處于向PoS過渡的最后一個階段，并因此即將結束反對其區塊鏈的最主要的爭論。該團隊的過渡正好在一個極為關鍵的時刻發生，因為以太坊的PoW共識的能源消耗在過去兩年劇烈增加，如下圖所示。

UXD Protocol在Mango攻擊事件中受影響資金近2千萬美元:10月12日消息，據官方消息，Solana生態算穩協議UXD Protocol在Mango攻擊事件中受影響資金總額為19,986,134.9037美元。UXD Protocol表示：“我們的保險基金足以彌補損失。UXD是完全受安全保障的，一旦Mango Markets從漏洞利用中恢復，用戶將可以贖回。保險基金總額為53,527,304.7757美元。UXD Protocol已暫停UXD鑄造以達到風險最小化。一旦我們確認Mango Markets的問題得到解決，將重新啟用鑄幣功能。同時，用戶可以在Jupiter Exchange將UXD換為USDC。對UXD持有者而言，有足夠流動性以面值（par value）兌換USDC。”[2022/10/12 10:32:12]

圖片來源：Digiconomist4

PoW的環境影響：以太坊

以太坊正處于從PoW至PoS共識機制的轉換過程中預估表明采用PoW每年消耗約為84.4太瓦時，其中一個以太坊交易就約等于YouTube上兩萬個小時的視頻向PoS共識的轉變將減少它們超過99%的能源消耗Digiconomist是一個從經濟角度來創建關于數字項目和趨勢的指數的平臺。一個在學術界和媒體界都經常被提及的指數是由該平臺發布的，這個指數表明以太坊每年要消耗大約84.4太瓦時。此外，該平臺還預計一次以太坊交易的碳排放就相當于119.68千克二氧化碳，差不多等于在YouTube上看19,947小時的視頻或是265,252次VISA交易。雖然這些對比都是基于估算的，這些數字的確反映了PoW給環境帶來的巨大影響。查閱PoW的以太坊能源消耗指數可以幫助我們更好地理解PoW的環境影響是如何計算的。其計算方式的設計采用了與Bitcoin能源消耗指數相同的假設。作者們將電費從mining收入中減除然后將剩余收入的等值美元根據每千瓦時平均價格換算為千瓦時。然后他們將結果乘以二因為以太坊miner使用顯卡而Bitcoinminer使用專用集成電路。最終結果在下列散點圖中總結，以太坊的PoS系統每筆交易的相對能源消耗非常小，以至于我們只有通過放大圖表才能看見。

美聯儲巴爾金：央行數字貨幣面臨的挑戰包括對銀行體系的影響:金色財經報道，美聯儲巴爾金表示，央行數字貨幣面臨的挑戰包括對銀行體系的影響，需要明確數字貨幣解決的問題。[2022/10/1 22:42:53]

根據以太坊基金會的研究團隊描述，一旦以太坊過渡到了PoS，其能源消耗將減少超過99%。由于缺少關于能源用量或是未來驗證人可能會使用的硬件的可靠數據，該研究團隊依據進行過存款的獨特地址的數量以及服務器的數量進行了預估。在2021年5月，他們假定網絡中有87,000個驗證人，并且以太坊基金會基于質押基礎設施團隊提供的計算得出PoS以太坊將會消耗約2.62兆瓦，大約等于2100個美國家庭每年用電量。5

PoS的環境影響：Moonbeam

Moonbeam所屬的波卡的PoS共享安全模型提供了一個的比PoW共識機制更高效的替代方案。粗略計算表明，Moonbeam和波卡加在一起也只會使用以太坊的PoW共識機制的0.001%。為了充分比較PoW和PoS，我們需要看看一個在正常運行的區塊鏈的數據。以此目的，我們對一個波卡上兼容以太坊的智能合約平行鏈Moonbeam進行了計算。因為波卡提供平行鏈共享安全系統，Moonbeam的能源消耗比一般的PoS要少得多。所以，我們對于波卡和Moonbeam總共的能源消耗量是高估了很多的。波卡給想要加入其網絡的項目提供了一個獨一無二的價值提案。團隊可以租用平行鏈插槽并連接到被驗證人保護的波卡中繼鏈，而不是花費精力和資源與他們的“miner”維持一個獨立網絡。這些驗證人質押DOT并執行兩個主要功能：驗證區塊中平行鏈收集人提供的信息，參與PoS共識機制以為中繼鏈生產區塊，所以也就為生態系統中所有參與者提供一個共享安全系統。

Moonbeam作為波卡上的一個平行鏈，依賴于波卡中繼鏈提供其安全性并有幾個收集人來告訴驗證人網絡最新情況如何。為比較PoS和PoW的環境影響我們提供了下列關于波卡和Moonbeam能源消耗的計算。因為沒有波卡上能源消耗的可靠數據，也因為其他一些因素使得其計算相當困難，我們提供的預估并非完全精確且應該是高估了。我們假設波卡運行著300個驗證人而Moonbeam有64個收集人。考慮運行一個波卡驗證人所需的專業要求并計算其能源消耗，我們可以大致得出網絡中每一個驗證人一年使用大約3兆瓦時。所以總的來說，波卡驗證人每年消耗大約920兆瓦時。假如Moonbeam使用相同的規格以及擁有在撰寫該文時的64個收集人，我們可以得出每年大約196兆瓦時。結合兩個網絡最終得出約為每年1.12千兆瓦時。要注意的是，只有一小部分驗證人是被分配到Moonbeam的。所以，總消耗是高估很多的。但即便是我們高估了計算值，也顯示了波卡和Moonbeam總共只消耗如今以太坊PoW消耗量的0.001%左右。與以太坊的每年84.4太瓦時相比，波卡和Moonbeam的0.00112太瓦時能源消耗幾乎可以忽略。6

權益證明對環境更友好

基于上述論證，PoS毫無置疑比PoW對環境更友好。再進一步說，很多使用PoS的項目都已努力使它們碳排放為零。不僅修正共識機制使其更節能，還通過支持氣候變化項目以抵消以往的碳排放。比如Algorand使用不包含任何mining并支持解決環境污染問題的項目的純權益證明。因此，該團隊在2021年4月宣布了其區塊鏈已達到碳排放完全為零。另一個例子是正通過使用委托權益證明以努力成為碳排放為零的Near，且該團隊也在支持抵消碳排放的項目。開發者和創建者是在推動項目成為更具有環保意識的主要驅動因素。尤其是創建者已經開始擔憂近幾年因日益增長的NFT鑄造和交易而造成的以太坊的碳排放。舉個典型的案例，有一個法國的藝術家取消其藝術品銷售，因為他計算后發現賣出6件藝術品所需的幾秒鐘相當于他工作室兩年的用電量。作為對這個令人咋舌的能源消耗和碳排放的回應，超過3000個藝術家共同倡導CleanNFTs。區塊鏈的開發者和用戶不僅僅意識到PoW對環境的影響，同時有意識地努力推動技術實現碳中和的事實是有希望的。我們在本文比較了兩個主要且現有的共識機制。雖然PoW在區塊鏈科技中處于領先地位，但也備受環境影響的苛責。目前還沒有具體的對地球能造成多少破壞的計算結果，但與替代者PoS相比，PoW似乎是對環境造成了更大的影響。為了展示每個共識機制中能源消耗的巨大差異，我們提供了以太坊和Moonbeam能源消耗的一些基本計算。從結果來看，我們可以自信地說，PoW的能源消耗遠超波卡的PoS。

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