区块链:科普 | Eth 2.0的Staking 逻辑

翻译：Unitimes_David

来源：Unitimes

综述

权益证明(PoS)代表一类共识算法，其中验证者(validators)会对下一个区块进行投票，而投票的权重取决于投票者的权益大小。由于更低的能耗，更少的中心化风险，抵御不同类型的51%攻击的安全性等等，权益证明被认为是对工作量证明的改进。

PoS算法可以被分类成两大类：

基于链的PoS：依赖于网络的同步性；

基于BFT(拜占庭容错)的PoS：优先考虑节点的一致性而不是可用性。

在以太坊2.0中，为了参与投票，你需要质押ETH。为此，你将会获得部基于某个利率(收益率)的额外ETH奖励以及部分网络交易费。

来源:EthHub

权益证明(PoS)是什么？

权益证明(PoS)是一类依赖于验证者网络中的经济权益的公链共识算法。在基于工作量证明(PoW)的公链中，PoW算法会奖励解决密码学难题的参与者以验证交易与创建新区块(即挖矿)。在基于PoS的公链中，一组验证者轮流对下一个区块进行提议和投票，而且每个验证者投票权重取决于其押金(即权益)大小。PoS的显著优势包括安全性，减少的中心化风险以及节能。

欧科云链集团正式启动区块链科普行动“星途计划”:欧科云链集团于4月26日，正式宣布启动了区块链科普行动——“星途计划”，行动包括将在全国范围展开系列沙龙，加大力度推进区块链科普进机关、进国企、进校园等，联合政府部门、行业协会等共同构建起更加完善和有效的区块链科普教育生态，与此同时，直击区块链科普现存痛点，推出简单易懂的“秒懂区块链”公益短视频课。

该计划旨在全维度推动社会建立对产业更清晰的认知，与“鲲鹏计划”一道助力数字经济及区块链产业本身健康发展夯实“人才”和“产业认知”两大基础。[2021/4/26 20:59:37]

总的来说，PoS算法看起来是这样的：区块链会追踪一组验证者，而且持有区块链基础加密货币(在以太坊的情况下是ETH)的任何人都可以通过发送一笔特殊类型的交易来成为验证者，该交易会把他们的ETH锁定为押金。然后，创建新区块和对区块达成共识的过程是通过一个共识算法来完成，所有当前的验证者都能够且应该参与其中。

共识算法有很多类型，而且给参与共识算法的验证者分配奖励的方式也有很多种，所以存在着多种「风格」的PoS。从算法的角度来看，主要有两类：基于链的和BFT(拜占庭容错)的PoS。

在基于链的PoS中，算法会在每个slot(例如，每10秒的周期可能是一个slot)期间伪随机地选择一个验证者，分配该验证者创建单个区块的权利，且该区块必须指向某个前面的区块(通常是前面最长链末端的那个区块)。因此，随着时间推移，大部分区块组成单条持续增长的链。

人大附中物理老师李永乐科普拜占庭将军问题和区块链:5月14日，人大附中物理老师、科普视频网红李永乐在其公众号发布视频《拜占庭将军问题是什么？区块链如何防范恶意节点？》。李永乐老师在视频中对拜占庭将军问题和区块链进行了讲解，他表示，拜占庭将军问题本质上指的是，在分布式计算机网络中，如果存在故障和恶意节点，是否能够保持正常节点的网络一致性问题。在近40年的时间里，人们提出了许多方案解决这一问题，称为拜占庭容错法。例如兰波特自己提出了口头协议、书面协议法，后来有人提出了实用拜占庭容错PBFT算法，在2008年，中本聪发明比特币后，人们又设想了通过区块链的方法解决这一问题。区块链通过算力证明来保持账本的一致性，也就是必须计算数学题，才能得到记账的权力，其他人对这个记账结果进行验证，如果是对的，就认可你的结果。与拜占庭问题比起来，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

在基于BFT(拜占庭容错)的PoS中，验证者被随机地分配提议区块的权利，但是会通过一个多轮的过程来就哪个区块是权威规范的区块达成共识，在该过程中，每个验证者会对每一轮的某个特定区块进行「投票」，在此过程结束时，所有(诚实和在线的)验证者将对任何给定的区块是否成为区块链的一部分达成永久性共识。请注意，区块或许依然会被链接在一起，但其中的关键区别就是，基于BFT的PoS中，区块的共识在一个区块内达成，而不需要依赖它身后链的长度或大小。

动态 | 报告：区块链等热点词促使童书科普百科类成交额同比增速最高:近日，京东图书与艾瑞咨询联合发布了《2019中国图书市场报告》。报告指出，AI、5G、区块链、机器人、VR、智能家居、AR这些热点词，不断点燃科技热潮，科技在改变大众生活的同时，也吸引了越来越多家长的关注，从小培养孩子对科技的兴趣和热爱。因此童书中科普百科类成交额同比增速最高，占比将近40%。[2020/1/8]

与PoW相比，PoS的优势是什么？

不需要消耗大量的能量来确保区块链的安全。(据了解，比特币和以太坊每天消耗超过100万美元的电力和硬件成本作为它们共识机制的一部分)

由于缺乏对高耗能的要求，PoS没有必要为了激励参与者继续持续参与网络而增发那么多新币。理论上，PoS甚至可能出现净发行呈负数的情况，这种情况下，交易费的一定比例被「销毁」，从而久而久之减少供应量。

PoS为使用博弈论机制设计的更广泛的技术打开了大门，以便有效地阻止中心化垄断的形成，且如果这些技术成型，也能够阻止对网络造成损害的行为(比如PoW中的自私挖矿)。

减少中心化风险，这是因为几乎不存在规模经济的问题。在PoW机制中，价值1000万美元的投入将为你带来10倍于价值100万美元投入的回报，而不会带来任何额外的不成比例的收益，因为在更高的水平上，你可以负担得起更好的大规模挖矿设备，这是PoW中的一种「优势」。

动态 | 新浪财经：官媒针对区块链的报道从科普宣传转向打假监管:据新浪财经今日消息，“1025新政”满月，一个月间，官媒对区块链的态度风向已转。据11月初的一项统计，七家党媒在新政一周内发布了65篇直接相关报道，当时文章中的关键词是数据、产业、安全、创新等，大量文章偏向于科普区块链的概念以及应用介绍，提醒警惕虚拟货币炒作的仅有3篇。近期，官媒的批评焦点则纷纷指向借区块链之名进行的虚拟货币发行和炒作行为。据统计，新华网、人民网收录转载的，以打击虚拟货币或揭露假借区块链行为主题的文章，自10月25日到11月25日午间，共28篇；其中，11月19日至11月25日的一周内就高达15篇。这些文章主要围绕三个观点展开：厘清区块链和虚拟货币的关系，说明二者概念不等；打击伪“区块链”局，或是虚拟货币局揭露；提醒民众，区块链不能成为炒作的噱头，更不是行的招牌，需警惕此类活动，理性投资。[2019/11/26]

能够使用经济惩罚去让各种类型的51%攻击的成本比在PoW中实施要昂贵得多。套用VladZamfir的话说，「如果你参与了一次51%攻击，你的ASIC矿场就如同被被摧毁了一样」。

对Casper权益证明的51%攻击会是怎样的？

51%攻击有四种基本的类型：

最终性回滚(finalityreversion)：已经敲定了区块A的验证者后续敲定相互矛盾的区块A，从而打破了区块链的最终性保证。

金色财经独家分析 监管机构、媒体、业界提示风险 区块链科普道阻且长:新华社今日发文表示，近来“区块链”类案件频发，不法分子以“投资虚拟货币周期短、收益高、风险低”为借口，取用户信任并诱使其转账进行投资。无独有偶，同日消息，腾讯手机管家安全专家也提醒此类风险，并从技术上提出防建议。在美国，监管机构警示加密货币欺诈现象普遍承诺高收益而不披露潜在风险。金色财经独家分析，不法分子假借新技术之名进行，一方面是抓住民众趋利的心理，一方面反映出区块链科普的欠缺。区块链是新兴科技和底层技术并有改变社会生产关系的潜力，应该进行系统性的科普教育，当前，部分大学已经开始设置了区块链课程，但对于普通民众仍然有科普的需求，人们应该了解到系统和正确的知识，不仅要了解区块链的好，也要明确局限和弊端，以在高收益的诱惑下，保持清醒客观。[2018/4/11]

敲定无效区块：验证者敲定了无效(或不可用)的区块。

活性拒绝攻击：验证者停止敲定区块。

审查：验证者阻止部分或所有的交易/区块被包含进区块链。

在第一种情况中，用户可以社交的方式带外协商，就哪个敲定的区块最先出现达成共识，并支持该区块。第二种情况可以利用欺诈证明和数据可用性证明来解决。第三种情况可以被对PoS算法的修改解决，即如果节点没有参与共识，那么该算法会逐渐削减非参与节点在验证者集合中的权重。CasperFFG的论文包含了对这种情况的描述。

第四种情况是最难解决。第四种情况可以通过一种「少数派软分叉」的方式修复，其中少数诚实的验证者就大多数验证者在审查他们达成了共识，并停止继续在当前的链上创建区块；相反，这些诚实的少数验证者将会继续搭建自己的链，并最终通过上述的「泄露」机制来确保这些诚实的少数验证者将会成为新链中的2/3绝对多数验证者。那时，市场将会倾向于支持由这些诚实验证者控制的新链，而不是由不诚实节点控制的旧链。

ETH2.0中的Staking逻辑

01.为什么我会想质押我的ETH？

因为质押(stake)了你的ETH及为正确的区块作证，你将通过网络利率(即验证者的收益率)和部分网络交易费的形式来获取ETH奖励。详情见这里。下图是当前被提议的ETH最大年增发率和验证者的最大年收益率：

图源：EthHub

需要注意的是，根据VitalikButerin的说法，上图这些是最大的数字，有许多因素可能会减少ETH的总发行量。这些因素包括：

验证者离线。将个人惩罚和集体惩罚结合起来说，每1%的验证者离线将减少约3%的总发行量，如果超过33%的验证者同时下线，许多ETH很快就会(因惩罚)被销毁。

验证者被罚没(slashing)。这种情况在实际中可能很少发生。

ETH交易费由于EIP1559而被销毁。根据此提案，预计前期当ETH2.0网络的使用率较低时，将有大约10,000ETH/年的交易费被销毁；最终有可能会上升至每年销毁数十万ETH交易费。

交易费用于支付状态租金而被销毁。这种机制可能会整合进ETH2.0的gas机制中，因此基于EIP1559被销毁。

根据JustinDrake的说法，基于上述因素，可能带来的结果是，如果ETH2.0中质押了约30,000,000ETH，那么网络的年通胀率(增发率)将约只有0.5%，相应的验证者年收益率将约是5%。

02.Staking的最低要求是什么？

每个验证者至少质押32ETH

具有足够硬件规格的计算机

连接互联网

03.我需要运行什么软件来参与Staking？

当考虑在以太坊上质押时，需要了解两种主要的软件类型：

信标节点：这是验证者的枢纽

存储规范状态，处理点对点和传入的同步请求，广播区块和进行区块证明。

拥有一个客户端可以连接的gRPC服务器并提供一个公共API。

验证者客户端：与信标节点通信并对区块签名。你可以在每个客户端质押32ETH。

存储重要的秘密信息，如RANDAO揭示，共享数据的托管证明以及BLS私钥。

可以有效地切换底层信标节点

追踪验证者已经签名的共享状态执行数据和数据块。

这意味着可能有三种需要运行的软件组合：

仅运行信标节点

运行信标节点+验证者客户端

运行信标节点+多个验证者客户端

04.运行软件的硬件要求是什么？

仍待定。理想情况下，我们只需达到上述三种设置的最低要求。(备注：根据此前以太坊2.0研究者JustinDrake的说法，预计验证者客户端将可以「毫不费力地」在RaspberryPi(树莓派)硬件(4GBRAM)上运行。)

05.如果我在参与Staking时连不上网，会发生什么？

成为一名验证者的关键在于保证你始终可以给区块投票(也即证明区块)，从而保证了网络的安全。因此，如果你的验证者客户端在任何时候离线了，为了激励验证者的可用性，这里会有相应的惩罚，惩罚大小视情况而定。这会发生在在两个场景中：

如果区块正在敲定并且你处于离线状态，那么你会在一年内损失x%的质押金，其中x%为当前的验证者年利率。例如，如果当前验证者年利率为5%，那么你每天将损失0.0137%的押金(备注：5%/365=0.0137%)，但你在线时每天将获得这些奖励。

如果区块无法被敲定且你也处于离线状态，那么你会在18天内损失60%的押金。

如果你的押金在任何时候下降到16ETH一下，那么你将会被完全从验证者集合中删除。

06.如果我参与Staking，我的ETH会被锁定多长时间？

当想从验证者取回ETH，那么你会被放入一个取款队列。如果没有队列，那么最短的赎回时间为18小时，时间会根据当时正在取款的人数动态调整。

资料ProofofStakeFAQCBCCasperResourcesBeaconandValidatorexplanationsSomedetailsaroundstakingfromVitalik

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