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下一代区块链挖矿:SPoS共识机制简析
摘要: 很多人第一次接触区块链,总是会被“矿工”、“挖矿”这些黑话搞得云里雾里。通过“挖矿”的方式竟然能够挖到比特币,难道比特币长在地底下?而且竟然还存在这一个群体——“矿工”,这群矿工不用挖掘机也不用铁锹,靠一堆CPU或者显卡堆积的矿机竟然就能在数字货币的世界里挖到“矿”,而且有些矿还价值不菲,比如比特币最高的时候一枚比特币价格是2万美金,比黄金还值钱,即便是现在,一枚比特币的价格依然高达5000多美金。
那什么是挖矿,如何挖矿呢?且听我慢慢给你道来:
一、比特币挖矿的原理
我们知道区块链技术本质上可以理解为一个庞大的分布式账本,那么,这个分布式账本,谁来记账呢?如何保证各个记账者记账数据的准确性和统一性?记账的人通过记账能得到什么好处呢?在区块链世界里,这个记账的人被称为“矿工 ”,记账者竞争记账权并正确计算出结账结果被称为“挖矿”,而记账人得到的好处就是“矿”,也就是Token(代币)。
以比特币为例,中本聪设计了一套天才的解决方案,每一笔交易发生后,并不算完成,交易数据必须写入数据库,才算成立,对方才能真正收到钱。首先,所有的交易数据都会传送到矿工那里。矿工负责把这些交易写入区块链。计算哈希的过程叫挖矿,计算哈希的机器就叫做矿机,操作矿机的人就叫做矿工。
根据比特币协议,一个区块的大小最大是 1MB,而一笔交易大概是500字节左右,因此一个区块最多可以包含2000多笔交易。矿工负责把这2000多笔交易打包在一起,组成一个区块,然后计算这个区块的哈希(Hash)。
中本聪故意让添加新区块,变得很困难。他的设计是,平均每10分钟,全网才能生成一个新区块,一小时也就六个。由于人为设置了大量的计算及难度系数,需要大量算力才能得到当前区块的有效哈希,进而新区块添加到区块链(好比在全世界的沙子里面,找到一粒符合条件的沙子)。
矿工之间也在竞争,谁先算出来了,谁就能第一个添加新区块进入区块链,从而享受这个区块的全部收益。其它矿工只能过来把那一页抄写一份,贴在自己账本的最后面,然后又开始新的记账过程。周而复始,生生不息,账本一页一页的增加,账本越来越厚。
由此看来,挖矿其实是一种安全机制,利用密码学哈希函数和非对称加密,确保区块链网络的挖矿节点在广播区块前,投入大量的计算,提高作假和作恶的成本,保证已有数据不可能被篡改,确保全网达成共识。
小型比特币矿场
比特币的创始人中本聪在2009年1月3日挖出了第一个区块,得到了50个比特币。这个区块是第一个区块的诞生,被称为“创世区块”,获得比特币的过程被称为“挖矿”,达成挖矿目的的机器被称为“矿机”,挖矿的人被称为“矿工”。如果你在2009年很容易挖到矿,也很容易得到比特币,但是现在再也不会出现那种情况了,个人挖矿的时代已经结束——比特币的挖矿经历了从个人挖矿到矿场集中挖矿的转变。
第一阶段:个人计算机上的通用中央处理器(CPU)。初期,由于挖矿难度非常低,因此普通的计算机也能挖到大量比特币,而那时比特币几乎不值钱。比特币挖矿类似于一个暴力破解的过程。
第二阶段是:GPU挖矿,GPU可以使挖矿速度提升几十乃至几百倍。著名的比特币披萨购买者拉兹洛·豪涅茨(Laszlo Hanyecz)是世界上使用GPU挖矿的第一人。
第三阶段是显卡挖矿。这个是比特币挖矿历史上最热闹的时期,以至于当时无论线上渠道还是线下卖场,高端显卡全部售罄。2010年之前基本是CPU在挖矿,全网算力一直在1GH/s以下。2011年开始显卡加入挖矿大军,下半年全网算力一举突破10TH/s,一年增长了10000倍!2012年更是轻松地超越20TH/s!显卡矿机迎来了全盛时期[2]。随后,专业矿机诞生并占据了挖矿设备的主流位置。很快专业矿机从可编程门阵列(FPGA)过渡到了高效能专用集成电路(ASIC)。而且,ASIC矿机的功能参数也在不断进化,不断有算力更强大的矿机被研发出来并投入市场,同时将挖矿效率低的老矿机淘汰出局。当下,如果不使用专业矿机的话,挖矿事实上已经不可行了。
第四阶段是矿场和矿池。随着比特币的价值被越来越多的人认可,挖矿投入的人力、物力不断上升,挖矿行为从早期的单兵作战迅速演化为专业化、规模化的运作,挖矿地点也从“自家后院”转移到“专业矿场”。 加入一个矿池可以增加竞争胜利的概率,但是收益要在所有矿池成员之间进行分配。矿池属于矿工的松散联盟,矿工们将挖矿资源汇集在一起,共享算力,同时通过一定的算法,矿池管理者收取一定的管理费,矿工按各自的算力占比分享挖矿收益。
第五阶段,使用云挖矿。简单地说,云挖矿就是个人投入资金,然后云挖矿平台帮你完成剩余的其他事情——包括购买机器、运行矿场并进行维护等。一般来说,云挖矿模式包括托管矿机挖矿、虚拟主机挖矿、租用算力挖矿三种,目前,又以租用算力的模式最为常见。
二、比特币挖矿的弊端
1. ASIC矿机的垄断。PoW挖矿已经成为一个相对不平衡的竞争领域,拥有大资金的矿机厂商(诸如比特大陆、嘉楠耘智)及大矿工能够生产和/或囤积ASIC矿机,ASIC相对于GPU显卡挖矿有着非常巨大的优势。理论上,PoW挖掘可以也由任何一个拥有计算机的人完成,中本聪最初的思想即是:“Proof-of-work is essentially one-CPU-one-vote”,但是,时过境迁,PoW挖矿对于CPU/GPU来说已经变得非常不经济。比特币矿机进入7nm时代,由于芯片研发制程的复杂,需要巨额资金投入,ASIC矿机不可避免地被垄断在少数几个行业寡头手中。
2.能源支出。挖矿过程是一个计算密集型的产业,需要消耗大量的资源 - 能源和资本。比特币挖矿行业的年耗电量约为49 TWh - 这与新加坡一年的耗电量相当(来源)。
3.挖矿奖励及利益动机。PoW挖矿行业经过近十年的发展已经沉淀了大量资金,挖矿基础设施已经基本完善,有着成熟的产业链(矿机厂商、矿场运营方、矿工、矿池等)。每个矿工都要寻求最大化现金回报以回收资本投入(矿机、矿场、电费)。为此,他们需要及时出售挖矿的奖励。在此,不论这种出售所可能导致市场币价的下行风险,矿工更关心挖矿奖励对自身收益的影响。
矿工有维护网络安全(以及价值)的经济动力,但矿工们更专注于收回投资并尽快支付运营成本,矿工的优先事项是支持有利于自身利益的网络变更提案-这些提案更多是优化区块奖励和近期利润,这可能并且与更广泛的开发者社区不一致。在不一致的情形下,矿工会选择用“算力”投票,典型的例子诸如比特币现金分叉(BTC和BCH)以及去年11月份的算力大战(BCH和BSV),一度造成了网络混乱和币价下行。
包括以太坊君士坦丁堡升级,这次升级最具争议的地方就是降低了挖矿奖励,很大程度上损害了以太坊矿工的利益,TokenGazer的不完全的统计,以太坊的节点数以日均20个的数量骤减,相比高峰时已经下降60%。
4.算力过度集中。在PoW网络中,51%的攻击变得越来越普遍,就像最近的以太坊经典(ETC)受到51%的攻击。该问题的核心是PoW采矿的公平竞争和规模经济。
获得资本优势和廉价电力的矿工在获得区块奖励方面具有特别的优势。挖矿变得越来越集中。矿工的算力越高,他们对网络的影响力就越大。一定程度上,一群矿工可以合谋进行算力攻击。虽然比特币网络没有受到攻击,但矿工们可以利用他们的算力攻击较小的PoW网络并进行双花,就像之前BTG、ETC所遭受的算力攻击那样。
简而言之,PoW对于区块链在追求去民主共识-去中心化的信任方面越来越力不从心。
三、当前区块链主流挖矿模式对比
正如我们上面所阐述的,挖矿的本质是一个争夺记账权获得Token激励的过程,这个过程是基于一套算法实现的,算法的底层则是共识机制,有什么样的共识机制就有什么样的算法,而本质上共识机制决定了挖矿过程和挖矿模式。除了PoW共识,后续还出现了PoS、DPoS、Raft,PBFT和SPoS共识机制,每一种共识机制都有对应的挖矿模式,下面,我们对当前主流的挖矿模式做一个横向对比:
(一)PoW系:比特币挖矿。需要硬件Asic矿机,依托矿池和矿场挖矿,需要专业维护+防黑客攻击,需要海量的矿机支持,而且需要廉价电力供应,没有个小一千万,很难启动起来。比特币挖矿,就当前的币价来看,年收益非常有限,而且比特币矿机淘汰率非常高。当然,比特币作为数字货币领域的开山鼻祖和币王,其共识基础非常牢固,以当前长期来看,币价上涨只是时间问题,未来一个比特币10万美金是可期的。
(二)PoS系:达世币。达世币是一个基于中本聪开发的比特币之上进行了一定意义上革新的币种,改进并添加了像双层奖励制网络等多项新功能。其中,DARKSEND为其提供了更好的匿名支付系统,同时实现了去中心化的即时支付功能(InstantX)。矿池尽管没有硬件要求,矿池每年的成本主要包括14450人民币一年和1000个达世币,矿池比较分散,年华收益率大概在8%,当前最大的挖矿风险主要是币价下跌风险。
(三)Dpos系:柚子币。EOS主网设置21个主节点,100个备选节点,这些节点是由所有EOS持有人投票选出,只有投票产生的前21个节点(相当于21个大矿场)拥有轮流挖矿的权利,备选节点候补。EOS矿池需要专业维护和高扩容,矿池维护成本为:60万人民币一年+锁仓9300万个柚子币。
EOS随机出块的设计以及对投票者无激励的设计,让超级节点在被黑客攻击时,区块链无法替换新的超级节点上场,只能等待超级节点修复服务器,区块链被51%攻击机率大。巨头和交易所控制超级节点,其他节点无法存活。
EOS的优点包括1、用户基础大;2、流动性好;3、生态健全;4、网络较为稳定。缺点吗?BM离开后,无数套牢盘,51%攻击防御性低,规模化成本大,不过流动性还不错。
(四)混合系:DCR德信币。全称是Decred,是拥有先进的 PoW + PoS 混合机制的加密货币,总量为2100万个。所谓具有混合共识制度的加密货币,简言之就是POW矿工来创建区块,搭建区块链;POS矿工确认这些区块的合法性,保护用户的权益,实现上链治理。其中POW工作证明挖掘与比特币相似,而每个区块必须由随机选择的一组用户“批准”矿工生产的DCR上链,如果不批准的话,则不能上链。除了批准一个区块之外,这些选定的标准人员还可以投票改变Decred的共识协议,使他们能够影响网络的长期演变。这种架构在用户,矿工和开发人员之间建立了一个公平的制衡机制。
DCR矿池需要专业维护+防黑客攻击,PoS端无硬件。需要海量的矿机支持,而且还面临黑客攻击的危险。目前巨头霸占矿池,中心化问题比较明显。DCR在中国大陆属于冷门币种,参与挖矿的并不多。pow端 未知,算力不稳定,遇到新款矿机上市立马血洗;PoS端 10%左右,算力暴涨淘汰矿机,PoS端币价不稳定。
(五)转型系:以太坊(ETH)。以太坊网络从PoW机制过渡到PoS机制自协议发布以来已写于以太坊发展路线图和黄皮书中。虽然PoW机制在达成去中心化共识方面效果显著,但是其也消耗了大量能源,经济形势也未成定局,并且没有有效的策略来破除企业垄断。过度的能源消耗、需要大量的挖矿耗材、矿池中心化以及新兴的ASIC市场……这些原因都为尽快实现转型提供了明确动力。在2018年4月20日,以太坊的开发者们发布了以太坊改进协议EIP 1011,在该EIP文件中,所升级的参数之一是将当前以太坊区块奖励从3个ETH减少到0.6个ETH :在协议的“激励”部分中,以太坊开发者明确表示升级的最终目标是将以太坊网络从一个PoW系统切换为一个PoS系统。
以太坊挖矿目前还处于转型期,pow端 未知,算力不稳定,遇到新款显卡或Asic矿机上市立马血洗;PoS端未公布不清楚。以太坊积极拥抱pos,或许能够稳住老二的位置,但由于涨幅已经很大,未来上涨空间有限。
四、为什么SPoS挖矿模式更胜一筹?
(一)SPoS共识机制的原理。
中本聪通过比特币发明了PoW机制。SunnyKing通过发明点点币发明了PoS机制。PoW工作的非常好,但PoS并没有大量流行。SunnyKing曾经发表过一篇文章描述他的认知升级,他认为真实的世界是多中心的。整个人类就是一个多中心的世界,一个国家就是一个中心。多中心形成庞大的系统。
SunnyKing思考去中心化在性能上遇到了瓶颈,大量的真实世界并不是去中心化的,自然的演化形成多中心的系统。而比特币挖矿矿池的诞生,大矿场的诞生,也证明了多中心是一个复杂系统演化的方向。所以,Sunny King于2018年带领一帮数据库科学家重出江湖,在他的新区块链系统中采用了多中心的架构——SPoS(Supernode Proof-of-Stake,中文译名是超级节点PoS共识机制)。
大家觉得这个机制是不是有点眼熟!是的!币布斯觉得,这有点类似于现实世界中的5大常任理事国和10大非常任理事国。只不过在SPoS机制下,没有什么常任理事国,各个超级节点的记账权是要靠竞争来决定的。这个竞争过程就是对在任节点的“挑战”。
“挑战”的过程就是将“在任节点”选下去,自己成为“在任节点”。“挑战”是使用“加权平均币龄”这个参数来完成。
SPoS机制下,出块节点成为一个中心节点,它们共同组成多中心的系统。SPoS机制的特点是系统设置固定数量的出块节点,和节点按顺序出块,出块时间是固定的。采用SPoS,可以获得相对去中心化共识机制更高的出块速度,更高的tps。
在网络结构上多中心机制和去中心化机制是有质区别的。去中心化共识机制的节点是一个P2P网络,各个节点之间需要网络发现探测各自在哪里。但多中心节点的系统,节点之间共同组成一个有序网络,相互之间是知道各自存在的。
(二)SPoS与PoS、DPoS的区别:
1、共识哲学设计不同
SPoS延续了PoS原教旨,而DPoS则成为了PoS的“分叉”
SPoS延续了PoS原教旨中Stake as Power(币就是权利)的哲学思想,持币者是整个网络的核心。
Sunny King在王峰十问中是如此谈到,SPoS和DPoS之间存在重大差异,SPoS中权益量决定了决策权的权重值。用中国的人大代表制度来类比SPoS更合适,超级节点是代表持币者行使权利的发言人,持币者的利益捆绑在超级节点上。而DPoS更像是公司治理,股东(币权所有者)可以投票给高管(铸币节点),但不获得收益也无动力投票,高管也无须听从股东。
在SPoS中,明确提出了完全由持币者当家做主人的生态设计:
超级节点 = 矿池
持币者 = 矿工
币=矿机
在这里,超级节点类似于PoW共识机制中的矿池,而币则是矿机,矿工的币可以自由选择矿池,相当灵活。而作为矿工,和DPoS不同的是,持币者可以获得矿池分发的收益,这是对所有生态建设者的激励,这就很好解决了主网冷启动的问题,可以避免类似早前EOS持币者参与度低的问题。
简单总结就是
SPoS可以挖矿,持币者拿到80%的收益,超级节点是矿池拿到20%收益。
DPoS不能挖矿,持币者0收益,超级节点拿走100%收益。
2、算法的完美度
Sunny King从数学角度简化和优化了SPoS的共识算法设计,这让SPoS的性能和安全性高出了从程序角度保证区块链安全和性能的DPoS一个时代。
DPoS的出块顺序是随机的,SPoS则是由超级节点固定顺序出块。就是因为DPoS多了一步随机计算,这就导致了当海量处理时,时间就多了30-50%以上。
白皮书显示,SPoS从数学上优化了共识设计,更合理,也更具扩展性。因为按照固定顺序排序后系统响应速度将会更快、更加可预测和稳定。当前SPoS设计的是一共15个可出块的超级节点,全网每4秒出一个块,1分钟内15个节点轮流有序出块,并且当系统要提升性能时,SPoS的机制还可以升级超级节点的数量,出块时间相应等比例缩短。
可以这么理解:
DPoS和SPoS两拨人,分别在不同地点玩丢手绢游戏。
1)DPoS这拨人每次选21个人围成一圈当超级节点,然后有个叫系统的人负责将手绢随机丢在某个节点身后。身后被系统放了手绢的人,就要到中间表演一个节目。
2)SPoS这拨人则是选15个人作为超级节点,同样围成一个圈,系统给每个节点排一个编号,第一次丢给1号节点,第二次丢给2号节点,第三次丢给3号节点,以此类推,这样15个人分别知道自己的上台表演顺序,由于顺序是确定的,节点们事先就可以做好充分的准备,而丢手绢的系统则不需要思考就能按顺序选择节点上台,效率更高了。
3、安全性上的区别
闭关一年的Sunny King,总结了所有PoS的缺陷,也找到了所有的解决方法。
SPoS采用了冷铸币技术,可以理解为,用户在自己的钱包中,连接超级节点,即可使用币挖矿,而并不需要把自己的币转账到超级节点。从安全性上讲,这让超级节点被黑客攻击后,用户可以快速将自己的币租赁到新的超级节点,让黑客几乎无法进行51%攻击。
而同时SPoS还设计了名为“MAB”的币龄数值,让持币的人对区块链进行“频繁攻击”,不能频繁地换超级节点,导致超级节点的混乱。
这两点,都是DPoS没有的,因为持币者毫无任何激励,所以如果某个超级节点被黑客攻击,持币者也不会给新的超级节点投票,超级节点只能自己想办法修复节点,而整个区块链的出块将受到严重影响,如果黑客连续攻击超过51%的节点就可以控制DPoS区块链。
4、经济平衡性上的区别
和DPoS类似,SPoS除了超级节点外,还有备选节点。区别在于,DPoS的49个备选节点是有相应收益的(但相对超级节点少很多),而SPoS的备选节点是无收益的,这样一来SPoS的超级节点就成了更加稀缺性的资源,必须积极建设和有效竞争才能够挤进去获得收益,这就形成了节点之间的自由竞争关系,这种机制有助于系统的良性发展。
目前DPoS的超级节点数固定只有21个,而SPoS的超级节点最初设计15个,在系统需要更高性能时可以扩展到30个、甚至最高的60个。30个超级节点时,出块时间由4秒缩短到2秒,60个超级节点时,出块时间将缩短到1秒。超级节点数量越多,系统越去中心化,当SPoS可拓展到30或60个的超级节点数量时,系统的去中心化程度也就越高。
SPoS的所有超级节点的收益都是固定的且完全一样的,这就从根本上避免了持币过多的人会更富,造成虚拟经济的贫富悬殊扩大。而DPoS的超级节点头部收益比后备节点大很多,这也形成了目前EOS超级节点被少数利益方控制的局面。
众所周知的DPoS核心缺陷,就是最后交易所霸占了20多个超级节点,霸占了主要的区块链产出的激励货币,而其他的节点,几乎搞得生存艰难。详细内容请查看:
而SPoS因为在设计上是所有超级节点完全一样的收益,且收益还需要给持币者分息,让超级节点变成矿池,这几乎让交易所想霸占超级节点的想法成为泡影。也就是说SPoS的超级节点,是一场全民运动,不会走向巨头控制的局面,也是值得大家长期干的,无论你是做超级节点还是做一个大矿工。
SPoS在生态平衡性上完全超越了DPoS,它带来的是持币者更大的动力一起建设区块链,也避免了中心化的危险。
(三)SPoS的3大技术特点和2大经济特征
3大技术特点
固定顺序和固定间隔出块
冷铸币
超级节点
2大经济特征
权益所有者和出块超级节点都有激励参与出块
铸币收益由超级节点和权益所有者共同分享,分享比例由超级节点之间的竞争决定。
此前讲过参与出块的权益总量对标了比特币的算力,所以以上设计保证了绝大多数权益将参与SPoS共识机制的出块过程,这也带来了很大的安全性。
铸币权和铸币收益平等分配,以消除矿池中心化风险
铸币时段的平等铸币权使得网络中超级节点拥有平等的地位及相同的铸币输出。这与比特币挖矿设计形成鲜明对比。在比特币挖矿中,没有内在机制防止止矿池市场形成垄断,其已成为了系统去中心化目标的一个现实威胁。
铸币时段的平等铸币权在铸币经济中扮演了一个不可或缺的角色。超级节点形成了一个由 铸币池组成的市场。铸币池市场决定租借的利率。由于权益所有者有将权益租借给支付更高利率的超级节点的理性偏好,而对于支付高利率的超级节点来说,铸币输出(即收入) 是固定的,租借来更多的权益将会迫使它降低租借利率,所以存在一个平衡点,其作为一种内在的力量迫使超级节点的租借利率趋于相等。

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