進化的區塊鏈:權益證明(Proof of Stake)

#52

12 分鐘閱讀

你可能聽過比特幣、以太坊這樣的區塊鏈運作非常耗電,所以會有很多專門挖礦的公司(按:礦場)會開在電費低廉的國家,例如俄羅斯、冰島。

不過,別誤會區塊鏈是一種耗電、不環保的技術。區塊鏈並不必然這麼耗電,而只是目前許多區塊鏈共同採用的共識機制 - 工作量證明(Proof of Work)是一套很耗電的機制罷了。

今天我們延續之前對工作量證明的討論,來看新的機制如何改善耗電問題。


根據 Digiconomist 統計,比特幣區塊鏈每年耗電將近 70 兆瓦小時(TWh),這相當於南美洲國家智利全國一整年的耗電量。

再進一步換算,現在每一筆比特幣的轉帳交易,得耗費全球 1,000 度電。相較之下,VISA 每 10 萬筆交易,才消耗 169 度電。

高昂電費跟買賣幣的投資人、區塊鏈的應用開發商都沒有直接關係,但卻是全球各地礦工(miner)斤斤計較的成本。

另外,對於區塊鏈技術的開發者來說,這就好像他們在全球開了一間高耗能的工廠。即便區塊鏈有其獨特的價值,但是如果區塊鏈能以更環保的方式運行,就可以為環境減輕一些負擔。

上週我們討論比特幣區塊鏈的安全性,是仰賴全球礦工所貢獻的運算能力多寡來決定的。越多礦工貢獻各自的運算能力,就像是大樓有越多根樑柱一樣,區塊鏈就越安全穩固。

因此,比特幣提出一套賞金制度(或稱經濟誘因)來鼓勵大家貢獻各自的電腦運算能力。這套賞金制度叫做挖礦(mining)。

「挖礦」是讓擁有越強大運算能力(hash rate)的礦工,就有越高的機率獲得約 10 萬美金的記帳獎勵(block reward)。

我們之前用每 10 分鐘為一局的遊戲轉盤,來比喻比特幣挑選礦工的過程。擁有越強大電腦運算能力的礦工,在遊戲轉盤上所佔的比例越大,也就有越高的機率輪到它來記帳,並獲得記帳獎勵。

因此,來自世界各地的礦工,紛紛投資大筆金錢買電腦建置礦場。只要幸運的獲得幾次記帳權,就足以回收成本。

建立在冰島的大型礦場 / 圖片來源

我們再從大樓的角度來看。挖礦這套賞金制度,因為獎賞豐厚,吸引許多人為區塊鏈這棟建築物提供了許多樑柱,所以區塊鏈也越來越安全。

只不過,現在建築物內的每根樑柱,都是用電腦的運算能力堆疊而成。而電腦在執行運算的時候就很耗電,怎麼辦?

最簡單的方法,當然就是換樑柱的材質。

樑柱原本是使用「電腦運算能力」這種虛擬資源製成,運算能力越高代表樑柱越粗,但也相對越耗電。我們可以將電腦運算能力替換成其他的虛擬資源,例如硬碟空間大小、金錢的多寡。同樣是資源越多,樑柱越粗。

替換之後,區塊鏈就可以不需要耗費大量電腦運算能力來維護資料的安全性,也就能省下可觀的電力消耗。

2011 年的時候,在比特幣論壇上有位網友叫做 QuantumMechanic 提倡以「權益證明(Proof of Stake)」的辦法,來取代非常耗電的工作量證明。

權益證明(Proof of Stake)

簡單來說,工作量證明是透過運算量多寡、機率,來決定哪位「礦工(miner)」有記帳權的機制。那麼,權益證明就是透過持有幣數量的多寡、機率,來決定哪位「驗證者(validator)」可以驗證、製作區塊的新機制。

在工作量證明裡,礦工得使用自己的電腦運行挖礦程式,消耗運算資源獲得幣的獎勵。但是,如果礦工惡意操縱區塊鏈上的交易驗證順序,頂多只是無法成功而已,並不會遭受任何懲罰。

相對之下,在權益證明機制中,驗證者不再需要用電腦挖礦,而是必須抵押自己一部分的幣在智慧合約上,才能像原本礦工一樣獲得獎勵。但如果驗證者被發現作怪,這筆抵押的幣就會被系統銷毀作為懲罰。

所以,有的人會說權益證明的懲罰機制,就好像是會把礦場給燒了一樣。原本工作量證明只能被動的防守駭客的惡意攻擊,但是權益證明可以主動的銷毀駭客用來參與交易驗證的幣,避免駭客發動二次攻擊。

我們釐清一下兩者的差異。

工作量證明耗費的大量電力,主要是用來轉化為運算能力變成區塊鏈的堅固樑柱。只有一小部分的電力是用來檢查交易的正確性,例如檢查花錢的帳戶中,餘額是否足夠。

權益證明之所以省電,是因為區塊鏈不再根據耗電的運算能力來決定樑柱粗細,而改採押金多寡決定樑柱粗細。因此,押金制當然比運算能力制省電得多。同樣的,權益證明也會花一小部分的電力,用來檢查交易的正確性。不過,這種工作的耗電量極小。

現在我們已經可以理解權益證明是一套比工作量證明更省電的機制,來確保區塊鏈的安全。除此之外,權益證明還有其他優點。

權益證明的三項優點

第一個優點是省電,原因我們在上一段才剛討論過。

第二個優點是提升駭客發動「51% 攻擊」的難度。我們提過 51% 攻擊,是指駭客掌握區塊鏈上的大量運算能力,藉此短暫的操縱區塊鏈上的交易驗證順序。

在工作量證明機制底下,駭客掌握運算能力的方法可能是自己花大錢建立大型運算中心、駭入大型礦場的電腦,或向 Amazon 的雲端運算服務租用大量的運算能力。

假如礦場每個月的用電量是一般家庭的 100 倍,大家都知道他們的電費不可能是一般家庭的 100 倍,而是會更便宜。這道理就像是跟店家預訂 500 顆粽子的單價,肯定會比單買一顆粽子來得便宜。

這種規模經濟(economies of scale)的效應,讓大型資本家在區塊鏈上,可以用較低的電腦硬體、電力成本,就能獲得相等的收益。

反觀權益證明機制,資本家(或駭客)如果要取得大量的幣作為抵押,就得到市場上買幣。幣的市場價格會隨著需求而上升。因此,權益證明就沒有規模經濟的效應,因此取得大量幣的難度比取得大量運算能力的難度更高。發動 51% 攻擊的成本就比工作量證明高得多。

第三個優點,是有助於散戶參與。

工作量證明因為有規模經濟的效益,等同於讓資本家有更多的競爭優勢,反而不利於個體的散戶礦工加入。換句話說,區塊鏈這棟建築只有少數幾根大柱子,而不是由密集的小柱子支撐。後者對區塊鏈來說更安全。

以太坊(Ethereum)創辦人 Vitalik Buterin 在今年的一場專訪上也說,其實區塊鏈的運作只需要全球幾千位使用者帶著他們的筆電就可以搞定,根本不需要像現在有許多大型公司挾巨額資本的投入。

權益證明是大勢所趨

相對於工作量證明是一套耗費大量能源,來換取區塊鏈安全性的機制。權益證明是越來越多新興區塊鏈採用的新機制。另外,原本採用工作量證明的區塊鏈,也早就已經開始往權益證明轉型。

其中,以太坊就是正在轉型的知名區塊鏈之一。它們參考權益證明機制,設計出一套自己的版本叫做 Casper。

以太坊目前仍然是使用工作量證明,每一筆以太幣的轉帳得消耗 57 度電。雖然這相對於比特幣的 1,000 度電少很多,但與傳統的轉帳方式比起來,仍然非常不環保。所以積極尋求轉型。

因此,如果現在還有人在找你投資以太幣的礦機、礦場,千萬別傻傻的加入了。除了挖礦的困難度與日俱增,因此收入早就大不如前之外,未來工作量證明機制將會逐步被權益證明所取代。

絕大多數的礦機、礦工未來只能轉戰其他仍在使用工作量證明的區塊鏈,去挖其他的幣種。

總結來說,區塊鏈改採權益證明的最直接的效益,是既提升區塊鏈的安全性又降低能源消耗,這有助於讓區塊鏈技術普及到更多產業。

比特幣動彈不得

有趣的是,權益證明的概念雖然最早是在比特幣論壇上提出來,但是在比特幣卻至今還沒有計劃要轉型為權益證明。短期之內,仍然是採用高耗能的工作量證明機制。

為什麼?

在比特幣這種群龍無首的治理模式底下,比特幣區塊鏈的開發走向,長期被大型礦場間接操控。因為區塊鏈的安全性,就是由礦場的運算能力所提供。所以大型礦場的態度,也會主導區塊鏈的發展方向,甚至決定區塊鏈是否能夠順利升級。

偏偏權益證明等於就是要讓礦場的挖礦事業,與區塊鏈逐漸脫鉤。這種等同宣告自己失業的提案,礦場當然說什麼也要極力杯葛。

因此,拳頭大的礦場主現在反而成為阻礙區塊鏈持續創新的力量,而導致真正持有幣的人卻沒有話語權。

從這個角度切入的話,轉型權益證明對無論哪個區塊鏈來說,都像是一場革命。是將區塊鏈未來發展的話語權,從礦工手上取回,交還給真正持有幣、更關心區塊鏈長期發展的人手上。

本文感謝陳昶吾、梁智程協助審稿