談PoS, 怎能不懂Nothing At Stake ？

PoS（Proof of Stake）本質上是一種持有一定幣量而獲得挖礦資格和收益的共識協議，在最初Proof of Stake 2013年被提出來後， Nothing At Stake (無利害關係）的問題和Long -Range Attack（長程攻擊）問題是經常被談論的Proof of Stake 共識協議的挑戰。想更深入了解PoS？知道是什麼，還需要了解為什麼。

今天我們先來看看Nothing At Stake problem （無利害關係）。

Nothing At Stake, a situation where someone loses nothing when behaving badly, but stands to gain everything.

Nothing At Stake 問題的本質是“作惡無成本，好處無限多”。具體來講，是當在PoS 共識系統出現分叉(fork) 的情況時，出塊節點可以在”不受任何損失“的前提下，同時為多條鏈出塊，從而有可能獲得“所有收益”。

這就好比有個窗口，排隊既可領錢，當只有一個窗口時，大家會乖乖的排隊，每人都有，其樂融融。

但是當第二個窗口出現時。大家知道，最終這兩個窗口有可能只有一個領到的是“真錢”，另外一個的錢會變成廢紙。但排隊的你不知道哪個窗口會是發“ 真錢” 的窗口。所以你會怎麼做呢？你可能會下個跑腿訂單幫你分身同時去另外一個窗口排隊。

但是，在實際PoS 出塊節點時，此時的分身無成本，只是計算機做一個運算而已。

這會造成什麼亂象呢？

聰明的出塊節點會有動力產生新的分叉，支持或發起不合法交易，其他逐利的出塊節點會同時在多條鏈（窗口）上排隊出塊支持新的分叉。隨著時間的推移，分叉越來越多，非法交易，作惡猖狂。區塊鏈將不再是唯一鏈，所有出塊節點沒有辦法達成共識。

另外，無利害關係問題還讓雙花攻擊更容易。不像PoW 51% 的攻擊那樣，PoS 的攻擊節點只需要多一定的算力（有時候僅僅1% ）就有可以進行攻擊。例如一個質押總量佔流通幣量只有30%的幣，攻擊成本相比60% 質押率的網絡更容易攻擊。

有多容易呢？如下圖所示，仍然是A、B、C 三個出塊節點，假如A是攻擊節點，它在產生分叉時創造兩筆交易。一筆將X個幣發給自己的一個錢包地址，同時在另外一個分叉上將X個幣發到交易所。 B、C出塊節點因Nothing At Stake 所以同時會在兩條分叉鏈上出塊。當交易被交易所確認後， A 將X 個幣出售兌換成隱私幣種，移出交易所。之後A 通過增加質押幣量，或創建多個其他出塊節點的方式提升出塊權重，只在分叉鏈繼續出塊。此時最長鏈很明顯，且逐漸拉開差距，會最終成為最長鏈，A 成功將X 個幣雙花。

為什麼Nothing At Stake 問題僅僅是PoS 的挑戰？ PoW難道不會有嗎？

PoW機制天生避免了這個問題。因為在出塊時，礦工會付出機會成本— 算力資源。如果分叉出現， 礦工需要慎重的選擇在哪條鏈上出塊，一旦選錯，付出的算力成本則沒有收益。礦工也不會選擇在兩條鏈上均分算力，這樣只會將原鏈的出塊概率縮小一半，可能得不償失。

那麼如何解決Nothing At Stake問題?

一般的策略都是後置懲罰，既如果被判為惡意出塊行為，則會將stake 的一部分或保證金作為罰金。然而，所有的懲罰和監管措施都只是事後，而不像PoW需算力出塊的隱形約束直接。

我們來看看Tezos 是怎樣使用懲罰機制來避免Nothing At Stake 問題的：在Tezos 鏈上參與挖礦需要保證金，這部分保證金就是用來保證“麵包師” （baker）的誠實行為，如果麵包師試圖在兩個分支上廣播區塊，那麼他的保證金將被沒收。如果麵包師成功創建和廣播了合法區塊，他將獲得區塊獎勵和交易手續費。這種機制用金錢獎懲來避免雙挖礦問題，節點的安全由麵包師自行維護。

除了後置懲罰，至今的解決方案，都是要犧牲一定程度的性能、去中心化原則，合約機制的設計也更複雜。

這種複雜性體現在什麼地方呢？

在PoS 中，節點的角色和職責眾多：除了和PoW中類似的出塊節點(Miner), 還有驗證節點（Validator) 為區塊背書，守護獵人（State Guardian) 抓“壞人”。

守護獵人的stake 有一定的鎖定期，一般是需要X個區塊之後才可以拿到質押的幣，這樣可以給守護獵人足夠時間來抓住非法節點。

此外，雖然項目方可以通過前置節點篩選選擇信任的節點，但是中心化的問題依然不可避免：

• 如果網絡發展迅速，利益超過了組織的信譽，那麼，被選出的實名節點不一定仍然可信；

• 節點是否有足夠的動機或技術能力去保證自身的反攻擊能力，從而保證網絡安全；

• 節點數量有限，伸縮性不夠，仍然是中心化。