POW:PoW 與 PoS 區別不在于能否提供安全，而在是否容易驗證安全

本文緣起是橙皮書組織的微信群「新經濟學人」內關于PoW和PoS長短的辯論。本文亦感謝以及Henry-民道@dForce，他們兩位皆為各自的立場提供了漂亮且深入的論證，筆者亦從他們的論證中得到很多啟發。最后，本文的另一目的是表達對一位哲人的敬意，他發明了一個可供我們不斷對話的原型機，而且我們越與之對話，越明白這個原型機的精巧。所謂「大巧不工」，化繁為簡需要極為強大的系統性思維，而他當得起「大師」的稱謂。

原文標題：《PoW與PoS的真正區別：判質費用決定了誰更適合構建貨幣》作者：ETHfans阿劍

一、前言

2019年5月上旬「新經濟學人」群內辯論的主題為PoW和PoS的短長。

但在我看來，微信群內的討論很難形成聚焦，因此大家實際上在討論兩個不同的問題：

PoS的技術局限性，即在技術上它們到底能不能實現某種屬性；PoS系統的健康度問題，比如會不會形成「持幣者/挖礦者/設備制造商」等在地域或收入階層上的集中，以及這種集中會不會造成不良影響，雖然大家對什么是「健康」、「不良」并沒有一致的定義。在前一個問題上，我認為最好的論證是由Jan提供的。他指出參與PoW系統是完全permission-less的，無需向任何人申請，即可購買礦機/組建礦池來參與PoW系統；

而PoS系統為了安全性犧牲了這種免許可性：如果有人想加入這個系統成為驗證者，他必須先質押，而質押作為一筆交易必須被打包上鏈才有效，等于是說他至少得取得部分現有驗證者的同意才能成為驗證者。

聲音 | 以太坊核心開發人員：ProgPoW審計工作有望本周或下周開始:據cointelegraph報道，4月26日，以太坊（ETH）核心開發人員Hudson Jameson宣布，抗ASIC礦機的ProgPoW的第三方審計已獲得資助。他指出，審計工作有望本周或下周開始。 Odaily星球日報注：自2月份以來，開發人員一直在籌集資金以啟動對ProgPoW代碼的第三方審計。在周會上，開發人員宣布通過開源賞金平臺Gitcoin上的眾籌捐款，以及來自社區的其他未透露姓名的捐款，5萬DAI（約合5萬美元）的目標金額已經全部實現。Hudson Jameson指出，審計工作可能在今年7月的某個時候完成。[2019/4/29]

。

在后一個問題上，最好的論證是由民道提供的。他指出，出于分散風險的目的，持幣大戶不會拿住手上的幣不賣。幣的價格上漲，則此種資產在持有者總資產中的比重也會變大，這個過程也是風險增大的過程，因此持幣者會傾向于賣出自己手中的幣，因此對財富集中的擔心是不必要的。

僅就后者而言，許多問題我認為近乎無法研究/比較，舉例而言，說PoS中會出現幣的集中，但難道PoW中沒有礦場規模大小的區別嗎？說PoS沒錢不能參與，但難道在PoW里面礦機不用花錢買嗎？

至于集中度的大小，雖然我并不認為在某一時刻這種統計數字有太大的意義，但就拿統計數字來比較好了，本就沒有人能提出一種最優分布，那么如何比較呢，更平均一定更好嗎？

聲音 | 芯動科技聯合創始人敖鋼：應該為PoW正名:據鏈聞消息，芯動科技聯合創始人敖鋼在接受采訪時談及應該為 Proof of Work正名時稱，我們是在使用電力，并不是浪費電力。使用的時候，對電力也有積極的促進作用。此外，其還表示中心化是偽命題。從散戶挖礦，到大礦工出現，再到現在大礦工也支持不了，需要資本進來，又變成算力賣出去，接著再變成散戶去購買算力。從礦機聚集的大型礦場，轉為算力分散的過程。中心化與去中心化，一樣是在輪替變化。等資本進來，當算力賣出去。一切轉由資本決定，這有可能是個機會。[2019/4/9]

繞一圈你會發現，雖然只討論前者不討論后者是不行的，但在前者的討論中我們有更明確的方法可以依靠，而且只有Jan說的那一點是最為確實的。

而在與民道討論的過程中，我發現按照一般的方式根本比較不出PoW與PoS的區別：因為兩種方式皆是「抗女巫機制」，兩種方式皆必然要求參與者投錢進去，兩種方式皆可完成貨幣分發，兩種方式皆有可能形成一定程度的集中。

更重要的是，從非常抽象的角度來看，兩種系統都是以貨幣增發來購買參與者的支持，PoW發幣給礦工，PoS發幣給驗證者。這些角度都僅能比較出量的區別，而不可能比較出質的區別。

這些問題迫使我選擇另一條路徑，而我開始思考一個問題：PoW和PoS哪種更適合用于建構貨幣呢？貨幣性的核心是什么？

二、為什么會有貨幣？

為什么會有貨幣？為什么比如鉆石這樣的稀缺物品沒有成為貨幣？石油會是一種好的貨幣嗎？

聲音 | Saifedean Ammous：BTC通過POW解決壟斷問題:12月25日消息，比特幣經濟學家Saifedean Ammous剛剛在推特上表示：POS與美聯儲的制度沒有什么不同, 美聯儲由組成銀行擁有, 后者壟斷了增加你被迫使用的貨幣供應量。這是BTC通過POW使每個人掙錢困難而解決這個問題。[2018/12/25]

在交易行為中，交易雙方都免不了要判斷對手所供商品或服務的費用，而在判斷商品質量過程中付出的交易費用，我們稱為「判質費用」。

交易的規模和頻次總的來說當然受制于作為整體的交易費用，但只要我們將目光集中在以下情境中，問題就會變得更加清晰一些：

當人們已經決定要相互交易，為什么有某種雙方都接受的商品會更好？這種商品要具備什么條件？

很快你便會意識到，這基本上與「締約費用」無關，采用彼此都喜歡的某種商品并不能改變締約費用；與「信息費用」的關系也沒有那么密切，因為形成了大規模的市場后，貨幣作為一種商品，其信息費用跟其它商品相比可能不會差別太大。

因此，關鍵在于「判質費用」。即，如果雙方以物換物，雙方都必須付出許多成本來判定對手給的東西的質量，有時候這種質量檢驗是消耗性的，但也許存在某種商品，其質量的變化幅度很小、很容易檢驗出其質量，那么大家可以很容易拿這種東西來交易，至少其中一方不用付出那么多的判質費用了。又因為不同商品的判質費用不同，故適合用作貨幣的優勢也不同。

Blockchain Power宣布收購加密貨幣挖礦設備并提供運營更新:Blockchain Power Trust宣布，已從一家加密貨幣芯片制造商處收購了1550個加密貨幣開采單位，凈購買價格為每petahash 81000美元。該設備已運抵羅馬尼亞，預計將于2018年5月初投入使用。[2018/4/24]

人類歷史上出現過無數種貨幣：黃金、白銀、石頭、甚至香煙、雞蛋；但所有這些貨幣在相應的社會中都有明確的特征：在一定科技條件下，它們的判質費用是最低的，黃金和白銀只有純度這一個維度，并且檢驗費用很低，熔化即可；美國產的香煙都是標準化產品，因此在戰后德國某段時間被民間用作貨幣。

因此，判定Moneyness的強弱，其實無異于要去確定該物判質費用的高低。判質費用越低，越適合用作貨幣。

這就是產權經濟學大師阿爾欽的洞見。

好的，道理我都懂，這跟PoW和PoS有什么關系？

三、PoW與PoS的真正區別

密碼學貨幣的品質優劣到底體現在哪里？

密碼學貨幣不是金屬，沒有物理實體，因此也沒有了「純度」的概念，不過，因為區塊鏈的公開賬本屬性，UTXO倒是有個「干凈度」的概念——有些比特幣曾經流入黑市，有些人可能介意。

但其實這種差別極為微小，根本不構成重要考量。真正的質量其實在「賬本安全性」。同樣是純粹的、儲存在全網無數臺電腦上的數字，但不同的數字之間還是有「賬本安全性」的區別。

Bitmex發布最新以太坊研究：以太坊依賴PoW機制:最近，對以太坊ASIC挖礦機制修改已經成為爭論的焦點，Bitmex最新研究報告發布，旨在為理解PoS共識系統提供指導，并審查最新的以太坊提案。PoS是比特幣工作證明(PoW)的替代品，一些人認為它不太容易受到采礦集中化和環保的問題的影響，這些問題經常涉及到加密貨幣挖礦。[2018/4/13]

還沒完。如上所述，重點并不在于質量，而在于判質費用的高低。因此，并不是安全性的高低決定了哪種分布式賬本適合承載貨幣，而是判定賬本安全性的費用決定了它們的Moneyness。

在PoW中，判定賬本安全性的工作極為簡單，驗證塊哈希并查看全網的難度要求即可；難度要求雖然不能直接地反映改寫賬本到底有多難，但直接地呈現了大概需要多少次哈希計算。

而在PoS中，至少就我所知，沒有能夠如此簡單檢驗賬本安全性的方法：

在非質押型PoS系統中，對出塊合法性的校驗依賴于狀態數據，因為只有狀態數據才能告訴你哪一刻哪個地址里有多少錢、TA到底能不能出塊，但是每出一次塊都會多一部分狀態數據；在最糟糕的情況下，這種困難性可以使PoS完全失去抗女巫的作用；在質押型PoS系統中，出塊過程是驗證者經由「發起-預投-投票」來完成的，而驗證賬本安全性中也必然有一步是校驗驗證者的簽名。而且，無論聚不聚合簽名，驗證所需的計算量都很難降下來。重點是，即便驗簽很簡單，你也沒法直接看出這些節點到底有多安全。你只知道確實是這80個節點簽了名，如此而已。

綜上，我認為，PoW與PoS的真正區別不在于它們是否能夠提供安全性，而在于提供安全性的同時是否能讓我們容易驗證此中的安全性。

客觀來說，我在此比較的都是我看到的PoS系統，并不能演繹地推導出PoW一定比PoS做得更好，只能證明現在部分PoW比部分PoS要好，但能走到這一點我也就心滿意足了，我也沒有意愿討論現在還不存在的解決方案。

接下來我想討論另一個概念。

四、計算-驗證非對稱性

「計算-驗證非對稱性」是指在某一類數學問題中，求出具體的解，與驗證該解是不是一個解，所需付出的計算量是不一樣的。我在這里談的是「難于計算、易于驗證」這種類型的非對稱性。

舉例而言，比如數學問題3X=9，求解這個X的過程，與驗證該解是不是正確解的過程，是完全一樣的，在這個例子中，計算和驗證是完全對稱的。

但如果是一個數獨謎題的話，你要算出一個數獨謎題的解要花很多功夫，但驗證起來極其簡單，這是非對稱的。

當然，還存在著驗證極為簡單，但計算求解近于不可能的問題，比如在橢圓曲線上用公鑰推導出私鑰。

在分布式賬本中，「難于計算、易于驗證」的重要性在于：它決定了當賬本安全性上升的時候，驗證的成本是否也隨之上升。

在比特幣的PoW算法中，計算-驗證非對稱性非常強：無論安全性如何上升，驗證的成本都不變。

但在我們現在看到的PoS方案中，這一點并不明顯。因為簽名并不比驗簽更難，相反，在有些算法中，驗簽甚至比簽名還要難，它是「易于計算、難于驗證」！

在限制了驗證者數量的PoS系統中，可以說這種驗證成本是有上限的，但在沒有限制驗證者數量的PoS系統中，驗證的成本會隨著驗證者數量的上升而上升，即驗證效率與出塊權的去中心化發生了沖突。

意識到了這一點，我們才能理解大師的智慧：

只要協議發了錢，人們總是要投入資源來競爭的；既然這樣可以買到安全性，那我可以好好挑一挑，到此用哪種資源來提供安全性；另一方面，要出塊就總是需要驗證，或者說，驗證才能真正約束出塊者的行為，那就選驗證成本低的吧；最后，既然驗證的需求長期存在，不如想一種辦法讓驗證的成本始終很低，這樣才能更好地容納安全性的增長。

這種「難于計算而易于驗證」的屬性，說起來很簡單，所有了解現代密碼學的人都理解，但卻很有可能是PoW最核心的秘密。

五、Crypto-economics

我一直很反對給economics加前綴，雖然經濟學作為一門社會科學，關于研究方法的爭論吵過很長時間，但在我看來，這種爭論早已有了結果，平時說某某經濟學，只是方便交流而已。

同樣地，我也不太喜歡「Crypto-economics」一詞，但同時我也認為，如果這個詞真的有意義的話，我目前了解到的觀念鮮少夠得上這個詞應有的規格，因為大多數時候，討論Crypto-economics的人經濟學都不怎么好。

若要有意義，密碼經濟學唯一的好去處是用成熟的經濟學去判斷不同的組件在分布式系統中到底承擔著什么樣的角色，甚至斷言其優劣。

比如，PoW和PoS，在密碼學中是抗女巫機制，但在經濟學視角下，它是安全資源，是系統的安全性的來源。而驗證，在密碼學視角下是對證明者的挑戰，但在經濟學視角下就成了判質過程，這個過程所需付出的代價就是判質費用。等等。

在大多數時候，技術歸技術，經濟學歸經濟學，但當我們需要評判某個組件在系統設計中的優劣時，我們可能需要兩者的交叉。如果有密碼經濟學這回事，我相信這會是其中一個重要含義。

六、結語

綜上，我認為，PoS作為一種抗女巫機制是可行的，只不過它所要求的共識算法可能會更復雜一些；但如果我們從Moneyness角度出發，我們會發現PoW貨幣在判質費用上更低，而且因為一些技術屬性使得我們可以相信它會長期保持比較低的水平；而PoS系統至少就目前為止，沒有出現可媲美PoW的低驗證費用，甚至其驗證費用還會上升。

愿PoW與PoS大辯論之火長燃不熄！

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