工作量证明（PoW）与权益证明（PoS）：分片版

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区块链可扩展性问题目前是大规模采用区块链技术的主要限制。中本聪（Satoshi Nakamoto）提出的标准免许可P2P区块链设计中，每个节点都必须处理网络中的所有数据。

但是，网络中的节点通常具有不同的功能。在Nakamoto的标准设计中，网络的性能受到网络中最弱的完整节点的性能的限制。

扩展区块链网络的一种幼稚方法是限制弱节点的网络参与。在这种情况下，网络仅依赖于所谓的“高层节点”，它们具有可以处理大量数据的广泛而快速的网络连接。

但是，这样的网络不可避免地变得更加集中，因为高层节点的维护通常更加昂贵。因此，在这种情况下，以分散为代价实现扩展，这是区块链网络最有价值的功能。

世界各地的研究人员提出了解决可扩展性问题的不同建议。分片被认为是最有前途的。但是，对于如何实施分片以在网络的众多参数中找到最佳的可接受的折衷方案，人们尚无共同的愿景。

以太坊2.0，Algorand，Cardano，Near和Zilliqa等项目已经基于分片开发了自己的区块链设计。但是，所有这些项目的设计都具有相似的模式。它们都依赖于分片委员会的权益证明（PoS）共识算法和验证者的伪随机选择。

为了参与PoS分片方法下的区块验证过程，每个参与者都将一定数量的硬币锁定在赌注中。例如，在以太坊2.0中，至少32枚硬币的一注对应于区块验证回合中的1票。

重要的是要注意，每个验证者都可以进行多个赌注并获得多个投票。这样，根据伪随机委员会选举机制，对特定数量的赌注进行抵押的用户可以成为相等数量的不同分片上的验证者。

PoS分片的一些支持者通常将“权益”概念与“验证者”概念混为一谈。我认为许多读者看到了吸引人的头条新闻，即特定的硬币X测试网吸引了超过2万个“验证者”。

但是，该估计值与参与者人数无关。这是关于赌注的数量。不可能知道谁放了那些赌注。可能有一千或一百个利益相关者。大多数股份也可能由单个实体控制。在这种情况下，很明显，网络是集中的。

因此，据称将上述单个实体的股份标记为单独的验证者不仅令人困惑和误解，而且是恶意的。

我们的方法是区分参与者和他们的赌注。为了说明，让我们执行一些计算。让我们假设网络中有D个不同的分片，并且一些参与者有S个筹码。

然后，通过理想的伪随机函数将该参与者以特定碎片中的一票或多票选为验证者的概率为

同样，如果参与者是验证者，则该函数的数学期望为1，反之则为0。所有分片上这些功能的总和是参与者验证的分片数。

因此，由参与者验证的分片数量的数学期望由以下公式给出：

例如，在以太坊2.0测试网中，分片计数D为64。根据公式，锁定44个赌注的参与者将平均验证32个分片。

这意味着该参与者平均将管理32个分片，或者恰好管理网络中一半的数据。该参与者将下载并处理网络中一半的数据。有人可能会说一半不是全部。 PoS分片被宣传为减轻系统弱节点负载的一项重大突破。

但是，这并不是一个很大的改进，并且这些参与者仍将不得不处理大量工作量以维护系统。因此，弱节点不会注意到预期的性能改进。

有人可能辩称，无需锁定44个股份。如果参与者资源有限，则他们可以锁定一两个桩，并处理一两个碎片。不幸的是，PoS分片设计假设分片委员会在每个时代都被改组，以防止适应性对手发动攻击。

自适应对手例如通过DDoS或日食攻击破坏目标节点。腐败的节点由于潜在的惩罚而失去了赌注，并离开了委员会。最后，恶意行为者可以控制整个委员会。在

相反，在PoW系统中，节点可以在受到攻击后立即继续工作。

因此，委员会改组是PoS分片的重要组成部分。改组后，委员会将再次当选，并指定参与者作为其他分片的验证人。

不幸的是，为了诚实地履行其验证职责并验证交易，拥有一份股份的参与者必须下载该碎片的状态。这是相当大的流量。

参与者应该知道所有未花费的交易或所有帐户余额，以便继续他们的工作。另一种选择是失去赌注或成为拥有必要数据的其他节点的p。

让我们进行一些计算。假设每个赌注被锁定约180天，并且每天选出一个赌注作为验证者。请注意，上面的公式在这种情况下也非常适用。我们设置D = 64和S = 180。

平均而言，该参与者最终将在64个分片中的60个上下载状态。那几乎是整个网络。这是另一个例子。假设参与者锁定了4个赌注。然后，在11天后，他们将下载近32个分片，占网络状态的一半。

但是，我们考虑了小股东的负担。硬币的另一面代表了有很多赌注的富有的利益相关者。想象一下，一台具有64个处理单元的服务器可以验证64个分片，其中每个处理单元都会验证各自的分片。管理此服务器是一项相当简单的任务。

无论何时发生委员会改组，都无需下载或更新任何分片状态。仅需要根据委员会的选举结果重新调整与处理单元之间的股份相关的密钥。

因此，对于在服务器上运行这64个处理单元的大型涉众而言，对于小型涉众而言昂贵的操作相对便宜。我认为细心的读者可以理解上述服务器是一个完整的节点。在这种设计下，那些有能力负担得起运行该完整节点的用户将为网络流量节省更多的钱。

有人可能会说60小于64，一半的州不是整个州。然而，并不是值得期待的解决方案值得“十亿美元的预算和十年的发展”。

但是，节点薄弱的小型利益相关者必须管理大量数据或大量网络流量。此要求完全破坏了通过分片进行扩展的目的。

设定实现权益证明分片的目标的不同项目可能具有不同的分片计数，委员会改组间隔和锁定权益的时间间隔。

但是，对于任何实际参数集，可能会观察到“性能低于预期”。每当此类项目遇到“启动延迟”时，核心团队通常会将它们视为开发问题。但是，正如我刚刚描述的那样，它们是PoS分片固有的简单设计缺陷。

有趣的是，无需基于权益证明实施分片以减少小型参与者的工作量。假设该项目基于工作证明提出了分片。

与PoS设计相比，它为弱节点提供了方便的设置，以便它们可以管理其工作负载。在这种情况下，所有参与者都将根据他们在网络维护方面的努力得到相应的回报。结果，运行弱节点仍然有利可图。

PoW分片的另一个好处是不存在PoS特有的问题，即无桩攻击和桩磨攻击。结果，工作量证明可以提供比权益证明更好的权衡取舍。

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特色图片：Shutterstock / wirow

工作证明（PoW）与权益证明（PoS）：分片版的帖子首先出现在Daily Hodl上。

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原文链接：https://dailyhodl.com/2020/06/10/proof-of-work-pow-vs-proof-of-stake-pos-sharding-edition/

原文作者：Vinod Manoharan

编译者/作者：wanbizu AI

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