第13讲 | 深入区块链技术（五）：PoS共识机制
陈浩
该思维导图由 AI 生成，仅供参考
上一篇我们讲到了 PoW 共识机制，这一篇我们就来分享另外一种共识机制，PoS 共识机制。
PoS 全称是 Proof of Stake，中文翻译为权益证明。这一篇我们会将 PoS 与 PoW 对比讲解，帮助你加深理解。
PoS 的由来
PoS 最早出现在点点币的创始人 Sunny King 的白皮书中，它的目的就是为了解决使用 PoW 挖矿出现大量资源浪费的问题。PoS 共识机制一经提出就引起了广泛关注，Sunny King 也基于 PoW 的基础框架实现了第一代 PoS 区块链：点点币。
PoW 的具体实现有很多版本，但它们大多只是在挖矿算法上有所改进，主体逻辑并没有发生质的变化。PoS 包含了多个变种实现，每个变种往往会涉及区块链代币经济模型的改动，可以说是牵一发而动全身。
这些实现有点点币、黑币、未来币、瑞迪币，它们都推动了 PoS 机制的发展，PoS 研究前沿还有以太坊的 Casper ，以及 Cardano 的 Ouroboros。
那到底是什么样的机制导致 PoS 具有这样的特性呢？让我们来看一看。
什么是 PoS？
在讲 PoS 之前，我先来讲一个叫做币龄的概念，币龄这个概念其实很好理解，它的英文是 CoinAge，字面意思就是币数量乘以天数。
比如你有 100 个币，在某个地址上 9 天没有动，那么产生的币龄就是 900，如果你把这个地址上这 100 币转移到任意地址，包括你自己的地址，那么 900 个币龄就在转移过程中被花费了，你的币数量虽然还是 100 个，但是币龄变更为 0。币龄在数据链上就可以取到，任何人都可以验证。
我们回过头来看看 PoS 究竟是什么，区块链共识机制的第一步就是随机筛选一个记账者，PoW 是通过计算能力来获得记账权，计算能力越强，获得记账权的概率越大。
PoS 则将此处的计算能力更换为财产证明，就是节点所拥有的币龄越多，获得的记账的概率就越大。这有点像公司的股权结构，股权占比大的合伙人话语权越重。
以上算是简述了 PoS 的概念，实际上，PoS 的发展经历了三个版本，第一个版本是以点点币为代表的 PoS1.0 版本，这个版本中使用的是币龄；第二个版本的代表是黑币（blackcoin），对应使用的是币数量，相当于是财产证明，后面黑币又升级到 PoS3.0，这个版本又回到了币龄。
PoW 早在比特币出现之前就已经应用了，而 PoS 是才是真正意义上为了区块链而创造出来的概念。
PoS 的实现原理
好了，现在我们开始讲解 PoS 的具体实现原理吧。这一部分公式较多，如果你在收听音频，可以点击文稿查看。
通过上一篇我们知道 PoW 挖矿的基本逻辑和步骤，我们先寻求一个 nonce小于目标值，这一步用公式可表示为：
Hash (block_header) < Target
从公式中我们可以看到，PoW 下所有矿工的目标值是一样的，只要计算结果哈希小于目标值即可，简化来看就是前导 0 的个数。
而在 PoS 系统中，这个公式变更为：
Hash (block_header) < Target * CoinAge
我们可以看出多引入了一个变量叫做 CoinAge，也就是币龄，这里就有意思了。
这个变量为会造成每个矿工看到的目标值不一样，如果你的币龄越大，也就意味着你的获得答案越容易。这里的 Target 与 PoW 一致，与全网难度成反比，用来控制出块速度的。
例如当前全网的目标是 4369，A 矿工的输入的币龄是 15，那么 A 矿工的目标值为 65535，换算成十六进制就是 0xFFFF，完整的哈希长度假设是 8 个字节，也就是 0x0000FFFF。
而 B 矿工比较有钱，他输入的币龄是 240，那么 B 矿工的目标值就是 0x000FFFFF。你如果仔细观察肯定会发现，相比 A 矿工的目标值，B 直接少了一个零。即如下：
A 矿工 Hash( block_header ) < 0x0000FFFF
B 矿工 Hash( block_header ) < 0x000FFFFF
所以 B矿工获得记账权的概率肯定要比 A 高。
具体代码分析这里就不讲解了，这里需要币龄作为输入，如果我们写示例代码也只是一个简单的参数，PoS 需要放到区块链的语境中才能运作。
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PoS共识机制在区块链技术中扮演着重要角色，通过权益证明解决了PoW共识机制中的资源浪费问题。PoS的发展经历了多个版本，包括以币龄和币数量为基础的不同实现方式。在PoS系统中，记账者的选择不再依赖计算能力，而是根据持有的币龄来确定记账的概率，类似于股权结构中股权占比的影响。尽管PoS机制在解决资源消耗和控制出块速度方面具有优势，但也存在一些缺陷，如币发行、币龄囤积、离线攻击等问题。此外，PoS 2.0版本引入的币数量作为参数也带来了新的问题，如无成本利益问题。相比之下，PoW系统由于分叉会造成挖矿成本直接变成负收益，因此抵抗分叉的产生，矿工倾向于跟随“最长”的链。尽管PoS共识机制未来变数依然很多，但它的可塑性比PoW好，技术上的探索空间大。虽然PoS共识机制在区块链技术中具有重要意义，但其风险相对较高，需要深入探讨。
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花子翁随着 ERC20 类型的标准合约代币的出现，这个问题被解决了，不再需要第一阶段改成 PoW，也可以将代币分散出去。 求解作者回复: 因为PoS型的代币最开始集中在发行人手里，例如创始块产生100万的代币，那么接下来靠谁来挖呢，因为只有创始地址有币，只能自己挖。所以在1c0和erc20之前，PoS型代币都有一个短暂的PoW阶段，用于让其他人参与，主要目的就是把币分发出去。
2018-05-2824- 陈浚琦验证节点和账号是如何绑定的？如何将奖励给到节点账户？ 您的回复：coinbase交易，由矿工自己填的。 老师，您好，有项目参考，或者资料吗？ 我现在使用Tendermint+Ethermint，发现节点和账户是没有绑定的，所以区块奖励它给到了一个 0x0000000000000000000000000000000000000000，也就是没有实现节点奖励，按照您的解释应该是它安装后会生成一个coinbase账户，所有的节点奖励会给到这个账户。
作者回复: 是不是没有指定etherbase?
2018-04-261 - 陈浚琦验证节点和账号是如何绑定的？如何将奖励给到节点账户？
作者回复: coinbase交易，由矿工自己填的。
2018-04-251 
小书童"比如在 PoS 系统上挖矿几乎没有成本"，这个不太理解。因为币龄的存在，在pos上挖矿，不同的矿工难度不一样，但还是要耗电费的呀。作者回复: 相比PoW而言，几乎就是零头。
2018-04-241
duer听完这两期节目，我最大的感受是，区块链技术对技术和算法的选型和使用l不仅仅是技术决策，更多的是商业逻辑和经济学原理，这在产品设计和技术管理的启发非常大，谢谢老师作者回复: 谢谢支持呢，送赞\(≧▽≦)/
2018-04-241
unite讲的非常好，感谢老师！作者回复: 谢谢支持呢
2018-04-231
恒念感觉有点问题应该是pos在区块链出现前就有，而pow的应用在区块链出现后吧作者回复: 这里指共识算法，而不是挖矿算法哦。
2018-07-10
朱显杰对于文中提到的PoS节点离线问题的解决办法，如果把节点在线时长作为币龄，是不是可以解决这个问题呢？作者回复: 区块链无法感知离线在线哦，这个可以作弊的。
2018-04-27
teletime使用币数量有，无成本利益问题，使用币龄有没有呢？如果有，为什么不直接使用币数量，至少币数量方法，可以解决文中提到的二、三、四。如果没有，为什么币龄方式没有，它有什么内在的成本，拥有它一段时间需要什么成本？作者回复: 都有无成本利益问题。
2018-04-242- 花子翁离线怎么挖矿，将实时交易放入区块和广播区块给其他节点离线怎么能操作？？？2018-07-037
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