碳足迹：工作量证明与权益证明

原标题：碳足迹：工作量证明与权益证明

本文要点：

• 工作量证明（Proof-of-Work）和权益证明（Proof-of-Stake）是大多数区块链网络所使用的两个主要共识机制。
• 第一个被发明的工作量证明机制是Hashcash。Hashcash是由Adam Back在2002年发明的。
• 工作量证明解决了拜占庭将军问题。当一个去中心化的网络的控制权集中在一个中央机构时，就会出现拜占庭将军问题。
• 尽管存在环境问题，但比特币和其他PoW区块链的高能源消耗率是其最大的优势。

工作量证明（PoW）和权益证明（PoS）已经成为大多数区块链采用的两个最主要的共识机制，以确保共识和维护其网络的状态。虽然工作量证明先于股权证明，但两种共识算法都需要能源（电力）来执行其基本功能。然而，它们的能源消耗到什么程度，以及在碳足迹方面对环境有什么影响呢？

第一个发明的工作量证明机制是Hashcash--由Adam Back在2002年提出。PoW已经从Hashcash机制发展到一个更复杂的机制，被比特币和其他老一代区块链如莱特币和以太坊所利用。

工作量证明机制帮助比特币区块链通过由矿工控制的分布式节点在其网络中实现共识。通过将网络上的节点分配给矿工（分散在不同地点），比特币区块链防止了中本聪在2009年提出的被称为拜占庭将军的常见问题，从而实现去中心化。

什么是拜占庭将军问题？

拜占庭将军问题是比特币等去中心化系统的同义词。在比特币网络中，有多个用户，包括矿工。网络上的矿工经常要就一个目标或区块链的合适软件版本达成共识。

当少数人或中央机构控制了网络的大部分时，就会出现拜占庭将军问题。由于这个原因，去中心化受到影响。比特币区块链使用工作量证明共识来解决这个问题。

工作量证明共识是如何运作的

工作量证明（Proof-of-Work）或PoW，正如其名称所暗示的那样，要求网络的参与者执行某些任务以确保其安全。比特币区块链上有矿工参与网络。这些矿工竞争解决加密难题，其解决方案必须得到所有节点的同意，以达成共识，然后用于验证交易，增加区块和产生新的比特币。矿工通过解决这些谜题和成功添加新区块获得奖励。

在工作量证明区块链上挖矿需要大量的计算能力和能量。采矿过程是通过被称为特定应用集成电路（ASIC）或采矿机的能源密集型特殊计算机完成的。随着越来越多的矿工加入网络，其安全性得到提高，使坏蛋无法执行垃圾邮件、51%甚至是拒绝服务（DoS）攻击。

面对更多的区块链网络的到来，发生了从能源密集型的PoW到更可扩展的权益证明共识的过渡，它消耗的能源更少。目前，还有其他几种共识算法，如概念证明、授权证明、委托证明等等。

权益共识机制

PoS共识采用了一种不同的采矿模式。在这种模式下，矿工被称为stakers或validators，不需要执行任何加密任务。赌注证明模式用赌注取代了计算能力，这样，用户持有的代币数量决定了他的采矿能力。例如，如果一个用户持有3%的代币供应量，他只能开采网络中3%的区块。挖矿是通过在智能合约中押注代币来完成的，而不是借助ASIC机器和大块的计算能力来挖区块。

由于许多因素，发明了PoS共识，作为PoW的替代。第一批采用权益证明共识的加密货币包括Nxt（NXT）和Peercoin（PPC），它们结合了PoW和PoS算法。PoS已成为最受欢迎的共识算法，被几个新一代区块链采用，如Algorand、Solana、Tezos，以及最近的以太坊2.0（ETH 2.0）。

工作量证明 Vs. 权益证明

这两种共识算法都有其独特之处，使其受到成千上万用户的喜爱。然而，区块链用户在一个问题上未能达成一致--每种共识算法消耗多少能源及其对环境的影响。

根据比特币能源消耗指数的估计，一笔比特币交易消耗的能源相当于一个普通美国家庭57.25天的能源，也就是每年约132.5兆瓦时。这与2015年的估计结果形成鲜明对比，2015年的估计结果显示，一笔比特币交易可以为一个美国家庭供电1.57天，每年119.87太瓦时。

根据TQ Tezos的数据，比特币的能源消耗能够为阿根廷或乌克兰这样的中型国家供电。虽然比特币区块链依靠如此多的能源来产生交易区块和新的代币，但这种能源消耗对环境的影响一直是区块链爱好者关注的话题。因此，工作量证明共识因其过多的碳足迹而受到批评，这被比喻为驾驶一辆以汽油为动力的轿车行驶一千公里。在这之后，人们呼吁转向可再生能源，或者更可取的是，转向PoS算法。

PoS消耗了多少能源？

对于股权证明网络所消耗的能量，目前还没有具体的估计。尽管如此，Danny Ryan--以太坊基金会的研究员表示，权益证明网络的能源消耗比工作量证明低99.99%。Ryan是针对以太坊2.0--以太坊区块链的PoS版本--做出这一估计的，该版本计划于2022年第二季度发布。

由于其能源效率，PoS被吹捧为一种更好的共识算法。PoS比PoW留下更少的碳足迹，因为它的能源消耗比后者低。然而，比特币区块链和其他工作量证明网络的高能源消耗率被认为是其最大的优势。这是因为网络规模越大，其安全性就越强（比特币区块链尚未遭受利用的一个主要原因）。此外，随着比特币价格的上升，挖掘新的区块变得越来越困难，从而需要更多的能源。

尽管PoS的能源消耗率可以忽略不计，但它并非没有挑战，其中一些挑战包括治理问题，以及它容易受到攻击，如果一方持有51%的代币供应，使他能够对网络进行完全控制，这意味着对网络的安全性的损害。有了这样的权力，他可以阻止其他用户开采区块。因此，去中心化的本质被打败了。

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