《读懂区块链PoS共识》第十章 PoS项目例子.md

第十章 PoS项目例子

1.1.以太坊（Ethereum）

1.1.项目介绍

以太坊（Ethereum）是第一代智能合约平台，也常常被称作为区块链2.0，2013年由Vitalik Burtain发起。官网上的宣传语（Slogan）是：

区块链应用平台（Blockchain APP Platform）

以太坊是一个支持运行智能合约的平台，智能合约是一段实现某种功能或者服务的代码，智能合约+用户界面就可以理解为现在说的Dapp（去中心化应用，Decentralized Application）。

运行在以太坊上的Dapp，具有永不宕机，透明，抗审查和抗第三方干扰等中心化app没有的优点。而支持Dapp这套架构的背后，其实是一个分散在世界各地的节点网络，是一个名副其实的世界超级计算机。

以太坊的崛起归因于Token发行，2017年ICO的狂热，很多项目方因为以太坊发行Token的简单性，都使用以太坊来发行Token进行融资，甚至很多有自己代币的主链项目，为了提前获得认同，也会用以太坊发行代替Token来融资，等待主链上线后再做1对1映射。巨大的需求性，使得以太坊一战成名，名气和市值双丰收。社区里面，很多用户除了知道比特币，最多了解的就是以太坊了。

发行的代币逻辑实际上是写在以太坊里的智能合约，运行合约需要消耗以太坊的Gas，Gas需要用以太坊自己本身的流通代币（ETH）来购买，这变相导致了ETH的需求猛增，价格更是水涨船高。直到现在，ETH的市值仍然是老二的位置。

ICO不仅给以太坊带来了市值的飞涨，同样带来了众多开发者，虽然现在以太坊遭遇了性能瓶颈，但是后来的公链项目，在开发者的数量上，也从来没有超越过以太坊，这也是以太坊能继续在今天飞速发展的重要原因了。

2019年会是公链打架的一年，起步在2014~2016年的几个公有链项目，都是剑指新型智能合约平台位置，针对以太坊的性能提出了新的优化计划，这些项目中包括Cardano，Tezos，Dfinity，Polkadot等，其中有曾任以太坊CTO——GavinWood主导的Polkadot，以太坊前支持者，主导ETC分叉的重要任务的开发者——Charles Hoskinson带领的Cardano，还有好些项目都是前以太坊技术大拿跳出以太社区后新做的项目，这些竞争者势必会给以太坊带来巨大的威胁。

而以太坊是否能继续领跑智能合约平台，2019年是关键的一年，而2019年也是以太坊从PoW共识转型PoS共识关键的一年，还有大家最关心的性能升级方案——分片（Sharding）等等，如果过程中不出什么幺蛾子，以太坊按部就班的实现既有计划，也许以太坊还能继续占据智能平台一哥的位置。

1.2.代币情况

以太坊的代币叫以太，代号是ETH。2014年发起众筹，总发行量是7.2千万枚，其中，6千万枚ETH给众筹用户，1.2千万枚ETH给以太坊基金会和早期开发者，另外还有给矿工的增发机制，以太坊PoW共识，一个块有3枚ETH奖励，孤块或者弃块也有0.625~2.625枚ETH的奖励（和比特币不一样），按照15s一个块来说（不存在孤块或者弃块的情况下），每年发行新的ETH数量为630万。ETH每年的增发有硬顶，硬顶是1.8千万枚ETH，这意味着ETH的增发是固定的。

考虑到每年因为各种原因丢币的情况（如销毁、死亡、丢币），理论上，以太坊社区认为目前的增发比例能满足一定均衡，即保持ETH的总量不再继续增多。

但是目前这种情况，随着以太坊从PoW共识转向PoS共识过程中会发生转变。称号为康斯坦丁（Constantinople）的硬分叉，就有EIP（以太坊提案缩写）提议修改奖励机制，希望将现在以太坊的区块奖励从3ETH降到2ETH。作为一种降通胀的手段，以太坊官方博客在2014年发表了对以太坊的通胀解释：

经济型通胀分为两种，一种基于ETH的价格来增发，一种是基于ETH的数量来增发，这两种不能完全分开，因为基于数量的增发往往会影响价格。以太坊选择的是后者——基于数量来增发，考虑到每年的丢币，目前以数量做增发的比例来计算，以太坊实际上是一个紧缩性货币。因为每年增发有硬顶1.8千万，第一年的增发率是1.8/(1.8+6)-1%=22%，第二年的增发率是1.8（1.8*2+6）-1%=17%，以此类推，每年的通胀率是降低的（其中1%是指每年的丢币量比率）。这样，大约在64年后，通胀率会降低到1%左右。

而到真正的PoS阶段，奖励还可能会发生新的变化。在我写这本书的时候，以太坊正要准备进行康斯坦丁的硬分叉，Casper FFG的奖励模型还没没有完全确定，但目前可以可以确定的是，每年设置的增发硬顶是不会变的，甚至可能比这还少。

1.3.代币作用

ETH充当以太坊网络资源使用手续费的作用。以太坊是一个世界计算机，当一个程序需要跑在以太坊网络上时，以太坊需要为其分配足够的网络资源（计算，存储，带宽等），那么以太坊是如何确认应该分配资源多少呢？

以太坊采取了资源使用计费的模式，也就是说，按照运行的代码所需消耗的资源量计费，来收取运行者的费用，这个费用就是ETH，这也是ETH在以太坊中的基础作用了。

具体的计价是这样的，一个程序的运行费用=Gas x Gas Price。这里的Gas是对应于一个交易(Transaction)中以太坊虚拟机(EVM)的实际运算步数，Gas Price是指运行着愿意给每一个Gas付多少钱，钱也ETH计价，最小单位是Gwei，1ETH=10^9Gwei。

1.4.发展路线

以太坊发展路线分为5个主要开发阶段（大升级），和多次的硬分叉开发阶段（小升级），小升级穿插在5次大升级期间。硬分叉的出现并不都是计划的，有的是为了解决社区问题，有的是为了解决线上bug，有的是为大升级做准备的。比如，著名的DAO被攻击事件，就是解决资金被盗的问题的。

每次硬分叉都会有社区分歧，分歧的结果可能会导致社区分裂，DAO事件的硬分叉就导致了以太坊社区分裂成了以太坊和以太坊经典，代币也分成了两个——ETH和ETC。但是硬分叉却又是必须的，因为区块链早期阶段的代码并不是很完善，可扩展性并没有那么强，后期扩展就必须要要写新的代码，而不能在原来的代码上缝缝补补。当写出来的代码越写越多时，会发现向后兼容越来越困难，如果硬是写代码兼容可能会导致各种意料不到的隐患，这对一个金融系统来说可不是什么好事，所以最好的方案就是重写，不对以前的代码做兼容。以太坊上有很多次由基金会主导的硬分叉。

下面的时间表，是在2015年3月由Vinay Gutpa在提出来的，Vinay Gutpa主要提了4个大阶段，包括前沿，家园，大都会和宁静，后被社区采用。其实，在前沿之前还有一个奥林匹克测试网的阶段，有些资料会把测试网和前沿写成是一个阶段，可能是因为两个阶段离的很近，功能又很像，就写到一起了，我在这里明确一下。

• 奥林匹克（Olympic testnet） ：测试网，时间是2015年5月

• 前沿（Frontier）： 从第0个块开始，时间是2015年7月~2016年3月，发布以太坊1.0。

• • 冰河世纪（ICE AGE） - 在200000区块引入指数级难度增长的一个难题，激励向权益证明的过渡

• 家园（Homestead）： 从1,150,000区块开始，时间是2016年3月~2017年10月，将以太坊1.0从Alpha带到了Beta阶段。

• • DAO - 在1192000区块恢复被破坏的DAO合约的硬分叉，导致以太坊和以太坊经典分成两个竞争系统。

• 大都会（Metropolis）： 从4370000区块开始，时间是2017年10月启动，主要是提高用户的使用体验。

• • **Byzantium ** 拜占庭，大都会的第一阶段
• • Constantinople 康斯坦丁，大都会的第二阶段

• 宁静（Serenity）： 还没公布启动日期，主要是转型到PoS

宁静这个阶段，Vitalik定义了这个阶段一些解释，如下图：

宁静将实现Casper共识，分配，EWASM和其他2014年到2018年的研究想法

宁静是一个新型的区块链系统，虽然仍然和PoW共识有。

宁静是一个世界电脑真正实现的阶段

图片链接

在写这本书的时候，以太坊的升级正在进行大都会的第二阶段康斯坦丁。康斯坦丁包含两个重要的升级，1个是降低区块奖励，从3ETH降到2ETH；一个做PoS共识的转型。这次社区对于硬分叉的意见比较一致，一般情况下，不会有分叉币产生。

在康斯坦丁硬分叉结束后，以太坊基金会应该会着手准备最重要的第四阶段的升级，这部分的升级是至关重要的转型升级，也是最早在以太坊发布技术黄皮书时候就决定的，到时候Casper登场。

1.5.Casper FFG和Casper CBC

Capser共识的发展重点，我觉得有两个，1个是抵押金-削减（Deposit-Slashing）策略，2是BFT拜占庭共识。再引入拜占庭共识之前，原来的第2个重点叫做是押注共识（Consensus by bet），但后来押注共识被BFT取代了。

押注共识主要是为了获得PoS共识出块的最终确定性，这个概念属于PoW的衍生寓，PoW里面矿工通过押注算力、电力资源来获得出块机会，但每个高度只有一个块，很多矿工的工作量其实是浪费的，换个解释就是很多矿工投入了自己的资源，来达成共识，获得出块的矿工获得了奖励，而大部分人是没有奖励的。而PoS的验证人要获得奖励也需要进行押注：即在出块高度，验证人选择对已出来的区块进行验证，被押注最多的哪个块会成为新高度，从而获得奖励，反之，则不会获得奖励，并且会被扣除对应的抵押金。

以太坊的PoS算法分为两个版本，一个叫Casper FFG（Casper the Friendly Finality Gadget），由Vitalik领衔；一个Casper CBC（Casper the Friendly GHOST:Correct-by-Construction），由Vlad Zamfir领衔。准确来说FFG是一种PoW和PoS的一种混合共识，CBC是一种纯PoS共识。

Casper最初只有一个版本，从2014年开始研究，分成两种版本的时间点是在Vitalik为Casper引入BFT机制后，Vlad对于现有BFT的实现方案不太认同，转而采用了一种叫Correct by Construction" (CBC)的方案替代，才有了新的Casper CBC版本，两者大概的时间周期是：

• Casper FFG（2017年Q3）

• Casper CBC（2018~）

大家都会比较疑惑为什么以太坊的PoS要研究这么长时间，如果2019年还不能部署的话，那么这前前后后花了5年了，这5年里面有很多项目都基于PoS上了主链，其中不乏一些出色的项目，2014年的Tezos已经在2018年上线了主网，2016年的项目，Cosmos和Cardano也宣称会在2019年上线主网。这么一比，速度差距就出来了。但是社区也有说辞，有3点原因：

• PoW改PoW比出身就是PoS要复杂的多

• DAO被攻击成为社区分歧

• 上海DOS攻击

这些原因直接导致了PoS研究的延期，其中DAO时间和DOS攻击让社区分散精力的时间起码在半年以上。

2017年初，Casper开始重新进入主流的研究周期，后来也出现了像Casper FFG和Casper CBC这样的研究主力。

FFG和CBC两种版本独立发展，除了在共识上有一定的差别，在激励和惩罚上也有差别，FFG主张小惩小罚，CBC主张大抵押金大罚，而且要罚要罚所有相关人员。FFG的设计要相对于简单，且尝试用智能合约的方式来部署实施，CBC则是独立于PoW外一种完全干净的PoS共识，实现起来较为复杂，且理论上可以挂在任何PoW的上层。总的来说，两者都是以太坊转型的方案，目标也一样，只不过用了不同的技术手段，Vitalik在一次Twitter的头脑风暴中，对FFG和CBC进行了总结：

34. In simplest terms, in Casper CBC the finality overlay adapts to the fork choice rule, whereas in Casper FFG the fork choice rule adapts to the finality overlay.

翻译为：简单来说，Casper CBC的最终确定层适用于分叉选择的规则，而Casper FFG的分叉选择规则适用于最终确定层

目前两个方案都没能落地，两者的研究团队都在加大马力，希望能成为最早部署的那个方案。从Vitalik的Twitter中可以看得到两个团队的竞争很激烈，但毕竟CBC的复杂度更高 ，所以FFG在2019年内率先部署的可能性很高。加上以太坊从PoW转PoS过程中会碰到很多问题，转型肯定阻碍重重，那么FFG这种从PoW转型到混合的PoW+PoW的过渡方式，可能会是一个更好的方案。PoW-FFG-CBC也符合以太坊社区至始至终追求纯PoS共识的理念。

从目前进展来看，以太坊的第5阶段——宁静，极有可能先实行FFG，我们也很有可能看到以太坊的第6个阶段，可能是纯PoS的实现（CBC）。

1.6.运行

Casper FFG的网络由验证人来维护，验证人需要跑节点客户端，通过操作命令来修改当前的状态，可以执行的操作如下列表。在FFG中，每个验证人运行的节点都是一个状态机，每个状态机的状态通过发送操作的交易来改变，以下介绍一些验证人运行节点时的操作步骤：

1. 创建验证人代码

• • 部署一个智能合约，用来验证验证人的签名

1. 提交抵押金

• • 调用casper.deposit(validation_addr, withdrawal_addr) 来传递步骤1中的验证人合约地址和提取地址

1. [每个周期开始时] 提交新的投票信息:

• • 等待检查点在主链上上已经超过1/4周期长度再投票，这保所有证验证人都投上同一个块
• • 根据你当前链的区块头，生成未签名的投票信息
• • 广播信息

1. 退出

• • 提交退出申请
• • 调用casper.logout(logout_msg) 传递提交的信息.

1. 提取

• • 调用casper.withdraw(validator_index)，你的资产将会给发送到2步骤中的提取地址

Casper CBC：目前还处于论文的验证阶段，很多实现还在不断的修正，以后等到CBC实现开始明确的时候，我再来补充。

1.7.性能

几乎可以确定的是，如果以太坊实现了Casper，无论是FFG还是CBC，都会给以太坊带来性能上的提升，但由于还没真正实施，具体会提高多少TPS，还不得而知（目前以太坊大约15s一个块，TPS在78左右（1s处理78笔交易）。

Vitalik在今年的Devon4上公布了FFG的初步性能数据：

• 交易确认时间（8~16s）

• 最安全的交易确认时间（10-20m）

• ~1000倍以上的性能提升

另外一项提高性能的策略，是结合了分片技术（Sharding）的Casper——Shasper，目前会和FFG版本的Casper一起推出，如果真的能实现，会使以太坊的交易处理速度更上一个台阶。

1.8.激励

Casper FFG的激励是一个短期性的激励，因为FFG是一种PoW和PoS的混合共识，仍然需要过渡到纯PoS共识去，所以为了让过渡变的被需要，FFG的激励奖金池总共只有125万ETH增发，这样的增发量只能维持2年左右的时间。当增发的ETH被消耗完之后，新的社区决定会出来，来决定纯PoS情况下可长期维持的增发比例。

上面有说到过以太坊社区的原则是不再多增发，且每年有增发硬顶，那么混合共识里面奖励给PoS验证人的ETH从哪来呢？答案是，PoW矿工的奖励里。

目前，PoW出块人可以获得3个ETH，社区计划将PoW的奖励慢慢减少，从3ETH的奖励最终减少到0.6ETH。目前以太坊正在康斯坦丁硬分叉阶段，其中有一条提议就是将3ETH减少到2ETH。减少奖励和PoS过渡一样，都是一个慢过渡的结果。

PoS中增发的ETH会分给验证人，包括出块和在检查点投票。出块是有奖励的，这不用解释了，检查点不是一个新的技术，以太坊将比特币上的检查点技术用到了以太坊的PoS共识中来，用来确定区块的最终确定性（在检查点>2/3的人投票），区块的最终确定性能一定程度上提高攻击成本，同时能带来性能提升。表象就是交易的速度变快了，而不需要在交易发出后还需要等待6个区块确认。

在正确的检查点（每50个块一个周期Epoch，每个周期最后一个块是一个设立的检查点）完成投票，验证人可以获得成功投票后所获得奖励的1/8。理论情况下，矿工可以获得总体增发量的1/5。

1.9.惩罚

Casper FFG的惩罚策略，在Vitalik的博客中进行了比较详细的描述，我对其惩罚方式进行一下精简： FFG会对企图分叉的验证人进行惩罚 。

验证人企图分叉的行为有多种，这些行为会被Slash，包括但不限于

• 双签（双Prepare）：BFT-Prepare阶段，尝试提交一个同样周期值（Epoch）的不同哈希或是不同周期来源值（Epoch_source）

• 双签（双Commit）：BFT-Commit阶段，尝试对同一个哈希值提交多次Commit

FFG采用了拜赞庭容错算法BFT，并进行了优化。BFT会带来基于区块确定性的特性。为了让区块交易达到及时确定，提高攻击成本，典型的BFT会要求验证人除了出块，还有对当前区块的状态进行签名确认。FFG中新区块确认前有两轮投票，只有投对了对应的区块（>2/3的验证人都投了的区块），才会被认为合理的行为，其他的尝试都可能被系统判定为不良行为，然后被Slash。所以我们看到两轮投票都能产生双签的可能性，这种可能性是当前以太坊主要惩罚的对象。

1.10.验证人

以太坊上的出块人还是PoW的矿工，PoS中的矿工称作为验证人。准确来说，过渡阶段的FFG，PoS验证人除了承担出块的作用外，还承担验证区块的作用，这和一般的出PoS共识差不多。以太坊里面，任何拥有ETH的人，都可以成为以太坊的验证人。在Casper FFG上，一个完整的验证人周期是：

1. 交抵押金 ：需要往Capser的智能合约中抵押32个ETH
2. 等待入选通知 ：等待1天时间
3. 投票 ：等2确认后，在检查点投票，确认区块
4. 退出 ：发出退出协议后，还需要继续验证7天
5. 提取抵押金 ：提交申请后，需要等待4个月左右才能取出。

32个ETH的门槛较低，架构在PoW上的PoS是以智能合约的形式存在，节点程序可能会稍微简单一点，用户只需要在电脑上运行钱包就可以了，配置要求性也不会很高。验证人最重要做的事情是步骤3的投票，准备，及时投票就可以让验证人得到奖励，免于Slash。

验证人比较关心的一些初始参数，参考2016年Vitalik写的褐皮书

• 区块时间（BLOCK_TIME） : 4s

• 跳过时间（SKIP_TIME） : 8s

• 周期长度（EPOCH_LENGTH） : 10800 (理想情况下，12小时)

• 异步延迟（ASYNC_DELAY） : 10800 (理想情况下，12小时)

• Casper地址（CASPER_ADDRESS） : 255

• 提币延迟（WITHDRAWAL_DELAY） : 10000000, 大概4个月

• 创世区块（GENESIS_TIME） : 未来时间，假如为 1500000000

• 奖励系数（REWARD_COEFFICIENT） : 3 / 1000000000

• 最小抵押金（MIN_DEPOSIT_SIZE） : 32 ETH

• 最大抵押金（MAX_DEPOSIT_SIZE） : 131072 ETH

• V_LOSS_最大增长因子（V_LOSS_MAXGROWTH_FACTOR） : 32

• 确定性奖励系数（FINALITY_REWARD_FACTOR): 0.6 / 1000000000

• 确定性奖励衰减系数（FINALITY_REWARD_DECAY_FACTOR） : 1000 (理想情况下，1.1小时)

• 最小押注系数（MIN_BET_COEFF） : 0.25

• 分片数量（NUM_SHARDS） : 80

• 每个分片的验证人（VALIDATORS_PER_SHARD） : 120

其中，个人验证人需要关心的参数是奖励和抵押金提取参数。为了防止长程攻击，以太坊对于抵押金的提取延迟更为注重，4个月才支持被取出。另外一个就是需要注意出块奖励和验证奖励，他们之间大概是5倍的关系。

目前运行节点步骤的客户端还没出来，出来之后再和大家介绍细节。

1.11.持币人

以太坊中的持币人，如果没有成为验证人的情况下，会受到通胀ETH的稀释，但是当验证人被锁定的周期太长，所以很多小资产用户不见得会参与到Staking中来。

在PoW和PoS的混合共识下，底层由PoW来保证以太坊的安全性，用智能合约实现的FFG，仍然还需要漫长的时间来探索，所以FFG并不会像其他的PoS一样，强调Stake的量，也没有委托Stake的服务。

具体的Stake逻辑也没有具体明确，等明确后我再和大家解释了。

1.12.治理

以太坊和比特币类似，遵循"代码即法律（Code is law）"的原则，所以以太坊没有现成的链上治理模块。现在主链的主要升级方式是以以太坊基金会为主导的硬分叉，而智能合约更是连修改功能都没有，只要是运行在链上的代码，除了删除，就是运行。

以基金会为主导的硬分叉也以太坊继承了比特币的治理模式，通过BIP/EIP提案的方式对主链进行升级治理。任何人都可以向社区提交升级建议EIP，由基金会统一来采纳和执行。当初ICO的时候，以太坊基金会是留有资金用于资助开发者开发的，所以一些有用的提议最终都由基金会资助开发。

可能会在2019年上线的以太坊2.0（包括FFG，分片和EWASM），是没有包括具体的链上治理协议。我觉得以太坊的升级仍然会继续延续当前以EIP提议的这套方式，目前，EIP的方式在社区里面比较奏效，全球各区域也建立了相关的基金会，由总基金会下方权利，更高效的处理一些有意义的提案。

所以，以太坊应该是没有具体推进链上治理的计划的。

1.13.问题

以太坊的主要优势是社区比较完善，开发者较多，而它的优势也是太的问题所在。在分布式网络中，社区发展的太大，协调就是一个比较非常严重的问题。我们都知道众口难调，对于以太坊的发展路线，一千个开发者，有超过一千种想法，想让这些思想极客达成一致，是一件非常要命的事情。最关键的事情是，以太坊作为一个承载着加密货币圈子，市值第二体量的一个开放平台，想要安全的进行升级，满足当前需求，真的是一件难上加难的事情。2014年到现在，我们已经见到了很多开发者在陆续的离开以太坊社区，其中不乏一些顶级技术大牛，离开的原因或多或少和以太坊的现状有关系。

我梳理了一下以太坊社区目前存在的几个主要的问题：

• 底层重，修改慢

作为一个发展5年的平台，代码结构已经变得非常复杂，对于现在需求的满足，恐怕都要改到底层架构，这些架构牵一发则动全身，安全问题是首要考虑的，目前来看，从PoW改成PoS的速度这么慢，就知道问题在哪里了。

• 社区大，决策慢

以太坊社区里面，不乏很多有想法的开发者，但是他们的想法从提出到落地，需要经过非常长时间的社区决议，这使得开发变得非常慢，和我们认为的小步快跑，快速迭代的互联网产品印象是相悖的，这也会让很多开发者失去耐心，甚至是失去信心。

• 性能瓶颈

很多开发想在世界最大的区块链社区进行项目开发，但是受限于现在以太坊的性能瓶颈（≈15TPS），很多需要高性能的项目并能很好的在以太坊上运行，提高性能的Plasma侧链，PoS共识转型等又没能很快的出来，导致开发者流失的情况时有发生。

• 竞争激烈

是一个公有链都会把以太坊当成竞争对手，是一个公有链都会在智能合约层兼容以太坊代码，为的就是最快速，最方便的让开发者能转移到自己的公链上来，所以以太坊面临的竞争压力是非常大的，如果以太坊不能很好的将自己的实例提高，那么肯定会给别的公有链超越的机会。

• 算力集中，51%攻击

算力集中是当前以太坊碰到的一个系统性风险，在没有从PoW转移到PoS之前，这个风险会一直都在。掌控以太坊算力的大矿池可以简单的进行联合，就可以发起51%的算力攻击。如果这种攻击武器一直掌控在少人数中的话，以太坊肯定是发展不大的。

以太坊社区都是认识到这个问题的，但是转PoS的速度太慢了，不免还是让人担心。

1.14.未来

个人认为，以太坊还是非常具有社区属性的去中心化社区，开发者质量非常高，同时作为外界进行区块链智能合约的入口，以太坊在开发者流量上有天然的优势。都说进圈的人，投资人都知道BTC，开发者都知道ETH，这话说的是有一定道理的。

但以太坊目前所面临的问题上，也是极其严峻的。这些问题即时解决是保护以太坊核心竞争力的最有力武器，可以看到的是，社区的确在这个方向上努力当中。

如果以太坊转PoS成功，我相信它依然能站稳市值老二的这个位置的。