权益证明( Proof of Stake，PoS)机制，是针对工作量证明机制存在的不足而设计出来的一种改进型共识机制。最基本的概念就是选择生成新区块的机会应和权益的大小成比例。权益可以是投入的资金或拥有一定数量的数字货币的所有权，也可以是预先投入的其他资源，即“权益”。与工作量证明机制要求节点不断进行哈希计算来验证交易有效性不同，在工作量证明机制中，只要买了矿机，下载了软件，就可以参与进入。而权益证明机制要求参与者通过计算所持有占总币数的百分比(数量)以及占有币数的时间来决定记账权，并试图解决工作量证明机制中大量资源被浪费的情况。

通过这种机制，节点记账权的获得难度与节点持有的权益成反比、相对于PoW，在一定程度减少了数学运算带来的资源消耗，性能也得到了相应地提升,但依然是基于哈希运算竞争获取记账权的方式，可监管性弱。该共识机制容错性和PoW相同。

在现实世界中权益证明机制很普遍，最为熟知的例子就是股票。股票是用来记录股权的证明，股票持有量越多，则拥有更高、更多的投票权和收益权。

PoS算法的基本思想

2011年在bitcointalk论坛一个名为QuantumMechanic的用户率先提出了proof-of-stake的思想(https://bitcointalk.org/index.php?topic=27787.0 )，而后不断发展完善，得到越来越多人的信赖。

PoS的基本思想大致如下：

• 所有节点不再同时竞争挖矿，而是每次仅有1个节点做验证者：在比特币网络中，所有节点都需要做PoW任务，也就是说都需要做复杂的哈希运算而消耗大量CPU算力，而只有最先找到答案的节点才能获得奖励。这种所有节点间的同时竞争挖矿无疑需要消耗大量资源，那么是否可以每次只有一个节点工作呢?如果可以，那怎么选定这个幸运儿呢?PoS中不再需要挖矿，不再有miner，而是每次只需要选出一个节点作为validator去验证区块的有效性。如果某个节点被选为validator来验证下一个区块，它将验证该区块内的所有交易是否有效。如果所有交易都验证有效，则该节点对该区块进行签名，并添加到区块链上。作为回报，该validator将会收到这些交易相关的交易费用。显然，在PoS中每次共识只有一个节点付出了劳动，且该劳动非常轻松，从而达到了节约资源的目的。

• 想成为validator必须提供保证金：为了防止validator作恶，想成为validator必须提前往指定账户存入代币作为保证金或抵押担保金，一旦被发现作恶，则保证金即会被罚没，而诚实工作将会得到激励。显然，只要作恶带来的收益不超过保证金额度，节点就会老老实实地保持诚实。

• 被选为validator并不是完全随机的，而是被选定概率与提供的保证金金额成正比：例如Alice提供100个币的保证金，而Bob提供500个币的保证金，则Bob被随机选为validator从而产出下一个区块的概率是Alice的5倍。这其实就类似于股份制公司，按照出资比例来划分发言权、最终受益权等，大股东出资多、承担责任大、相应的回报也大。

PoW与PoS对比图

不难发现，PoS也是采用了经济和博弈的思想，通过激励策略和惩罚机制来确保了网络的安全可靠。

PoS为什么有效?

PoS协议仍然符合传统的拜占庭容错算法研究的结论。目前围绕PoS的研究可以分为两条主线：一条围绕同步网络模型、一条围绕部分异步网络模型。而基于链的PoS算法几乎总是依赖于同步网络模型，并且其有效性与安全性可以像PoW算法一样被严格证明(https://nakamotoinstitute.org/static/docs/anonymous-byzantine-consensus.pdf )。

另外，从CAP的角度来看，基于链的PoS算法与PoW算法类似，也是尽可能地做到了容错性，另外在可用性与一致性之间，更多地保证了可用性。

如果说传统的一致性算法(Paxos、Raft和PBFT)实现的是确定性的最终性(finality)或一致性，那么PoS与PoW类似，转而寻求概率性的最终一致性。从传统CAP的视角，这其实是对一致性的弱化，然而从实践可行性的视角来看，也是一种全新的思维和突破。

而从PoS的设计策略来看，也可以分为两大阵营(https://arxiv.org/pdf/1710.09437.pdf)：

• 一类是如前所述的chain-based PoS，主要是模仿PoW机制，通过伪随机地把区块创造权分配给stakeholders来模拟挖矿过程，典型代表如PeerCoin、Blackcoin等。其安全性与有效性可以参考类比pow来看。

• 另一类是BFT based PoS，基于近30年来的BFT类一致性算法研究。基于BFT算法来设计PoS的思想最初在Tendermint中提出，以太坊2.0中的Casper也遵从了这一传统并做了一些修改完善。这类PoS的安全性与有效性可以参考BFT类算法来看，如可以从数学上证明，只要协议参与者的2/3以上节点都诚实地遵照协议，不管网络延迟有多大，算法都能保证最终状态不会出现冲突区块。不过此类算法也并不完美，特别是针对51%攻击问题，也尚未完全解决，目前该领域仍然处于开放探索阶段。

PoS的争论

PoS的思想并不复杂，而其中比较容易被诟病的恰恰就是这种与现实世界类似的按出资比例获取收益的制度。大家对现实世界的马太效应已经非常警惕，这种制度显然容易带来富者越富、穷者越穷的结果：拥有更多代币的人，将会有更多机会成为validator，从而参与网络并获得更多收益。

然而，对这一问题的看法争议很大，很多人提出了完全不同的看法，认为PoS相比PoW更公平、更有助于对抗中心化趋势。理由主要是：PoW挖矿依赖现实世界的物理硬件和电力资源，而这很容易带来规模经济(Economies of scale)优势。购买10000台矿机的公司相比购买1台矿机的个人更有议价权，甚至可以自主研发成本更低的矿机;而拥有10000台矿机的矿场，对电费的议价权也更高，甚至可以搬迁到电费便宜的国家和地区的电站旁边，甚至可以自建成本更低的电站。由此带来的后果就是越庞大的组织的综合挖矿成本越低，而这正是现实世界真实已经发生的事实。相比之下，PoS不需要依赖现实硬件，不存在规模经济优势，在不考虑价格操纵的情况下，买1个币的价格和买10000个币的价格是线性增加的，从这个角度理解，PoS可能更公平，更有助于去中心化。

对PoS的另一个担忧是其安全性，毕竟PoS不再像PoW那样做复杂的CPU运算以证明自己。在PoW中，若想发动攻击，需要控制51%的算力(近来也有研究发现只需25%算力即有可能攻击成功)，这也就意味着需要拥有大部分的矿机和算力资源。而在PoS中，若想控制整个体系，需要拥有51%的代币。究竟哪个更安全?其实也不太好讲，不过可以从现实世界的例子来看，如果比特币算法切换为PoS，则控制比特币体系需要大约比特币市值的一半，大概是400~1600亿美金(比特币价格区间5000~20000美金)，显然这一数字远远高于矿机成本，想拥有这么大资金量发动攻击几乎是不可能的，从这个角度来讲，PoS可能更安全。

除此之外，PoS因为部署成本很低(对硬件要求很低)，在真实世界中会导致代币非常容易分叉，从而产生一堆山寨币，而PoW不存在这个问题。因为PoW依赖硬件挖矿，若想把比特币的某个参数改改，这很容易;但真想跑起来，则需要大量算力的支持，需要争取大量miner的支持，比如bitcoin cash从bitcoin中分叉出来就历经波折。而PoS完全没这个顾虑，随便某个人都可以下载开源代码、随意改下，拉几个节点就可以声称自己创造了一种全新的代币，比如从EOS(代币名)中可以轻易分叉出几十上百个山寨兄弟币，每个都声称自己很独特。这确实是事实，不过也不太容易说孰好孰坏。

PoS的改进优化

PoS机制中最关键的当属下一个区块validator或creator的选择机制，究竟谁来做这个幸运儿?前文所说的根据账户资金按比例按概率选择其实是最简单的一种方式，这种方式确实容易导致有钱人获得一劳永逸的收益，从而损害网络中其他参与者的积极性。目前有很多种思路来改善这一问题，其中比较有意思的是coin age-based方法，在选择creator的时候，除了考虑资金量，还会考虑coin age(币龄)。所谓的coin age指的是币在某个账户上的停留时间，比如1个币转入指定账户经过10天，可以认为币龄是10，而每次币发生变动币龄都会从0开始重新计算。通过这样，可以限制大资金量节点频繁成为creator，比如可以设定币龄达到30才有机会成为creator，而成为creator之后币龄立即清零。这其实是限制了大参与者的利益，为其他中小参与者提供了更多的参与机会。

基于PoS改进的比较有名的方案当属Delegated Proof-of-Stake(DPoS)，其中采用了代理人委托机制。在DPoS中不再是所有节点都有可能成为creator，而是节点间相互投票，只有得票最高的一些节点才可能参与区块创造过程。具体如下：

• 代理人的职责包含保证自身节点持续运行、收集交易信息并打包到区块中、签名验证并广播区块、解决网络中可能存在的一致性问题。

• 对于大多数DPoS链来说，网络中的所有持币人(token holders)都可以向代理人投票，且投票权与持币数量成正比。用户也可以不直接投票，而把投票权委托给其他人来代表他们投票。

• 投票是动态的、可变的，意味着某个代理人随时可能被选进来或选出去。而一旦某个代理人被发现作恶或欺诈，就将失去收入和名誉，这就起到了激励代理人保持诚实、保证网络安全的目的。代理人可以将收到的区块奖励按比例分给向他投票的用户(这其实相当于贿选，在有些方案中不被允许)。

• 不像传统的PoS，代理人不再需要持有大量的代币，而是必须相互竞争从持币者那里争取投票。

• DPoS限制了交易区块的验证者人数，这相当于牺牲了一定程度的去中心化，但却带来了效率的提升，因为网络达成共识所需的工作量大幅降低。

不难发现，DPoS通过引入投票机制，尽可能地保证了节点的广泛参与;而对validator数目的限制(一般是21-101个)，尽可能地提高了系统的运行效率。虽然充满很大争议，DPoS仍然不失为一种可行的解法，越来越多的区块链系统也在尝试对其进行改进和探索。

PoS机制公有链有哪些？

在公有链中，众多项目都采用了PoS机制，比较有名的有：

以太坊

(Ethereum：https://www.ethereum.org/ )：目前阶段以太坊仍然采用的是PoW挖矿机制，不过作为以太坊的创始人和公有链领域的领军人物Vitalik Buterin对于PoS机制显然更为青睐，也多次阐述过PoS的设计哲学(https://medium.com/@VitalikButerin/a-proof-of-stake-design-philosophy-506585978d51 )，以及PoS相比PoW的优势(https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Proof-of-Stake-FAQ#what-are-the-benefits-of-proof-of-stake-as-opposed-to-proof-of-work )。目前以太坊正在开发基于PoS的Casper协议(https://arxiv.org/pdf/1710.09437.pdf)，预计将于今年下半年发布，这种从PoW到PoS的转变也标志着以太坊进入2.0时代。如下图所示，在以太坊2.0 phase0阶段，将会发布采用Casper协议的PoS beacon chain，作为coordination layer(https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Sharding-roadmap )。

以太坊2.0 layers和phases

(https://docs.ethhub.io/ethereum-roadmap/ethereum-2.0/eth-2.0-phases/)

EOS

官网：（https://eos.io/）作为DPoS思想的提出者Daniel Larimer发起了EOS公有链项目，其中众多节点会一起竞争，期望成为拥有记账权的21个Supernodes中的其中一员。这种类似现实世界议会制度的设计引起了非常大的争议，而超级节点的竞选也可能蕴含着巨大的商业利益，这些都已经超越了技术讨论的范畴，在此不做过多讨论。