一文秒懂以太坊到底为什么要转Casper？

6月3日举行的2018以太坊技术及应用大会上，V神在题为“Casper与分片技术最新进展”的主题演讲中，再次对以太坊的分片技术进行了详细介绍。
那么，最近V神总说的分片技术和Casper究竟是什么？以太坊到底为啥一定要从PoW转换成PoS？

与以太坊性能扩展需求相矛盾的POW机制

众所周知，以太坊的定位是一个底层的智能合约开发平台，其去中心化的公有链特性能够为智能合约以及去中心化应用（Dapp）的运行提供可信的执行环境。为了保障网络的去中心化，以太坊同样选择了与比特币相似的工作量证明POW机制；但是与比特币不同的是，在以太坊的节点上除了像比特币那样运行一个钱包账本外，同时需要运行一个被叫做以太坊虚拟机的东西；不仅仅每个节点上的账本都完全相同，其每个节点虚拟机上所运行的程序也是一样的，这也是为什么以太坊被称为一台全球计算机的由来。

但是当所有的节点都只能同时做一件事的时候，这就意味着整体网络能够处理的任务量是非常有限的，其受制于网络中单个节点所能处理任务的上限。去年的以太坊微信status项目的ICO、以太猫游戏等所造成的以太坊拥堵问题一次又一次地将这个问题摆在我们面前。

分片技术（Sharding）被Vitalik以及大多数以太坊开发者认为是解决以太坊性能的主要解决方案，但是分片技术却恰恰是与当下的POW机制相矛盾的，或者说在POW上加分片很难实现。分片是一个从数据系统中产生出来的术语，是指把一个大的数据库进行水平分区，分成更小、更快、更容易管理的部分，这些小的数据就是大的数据库的片；而在以太坊上简单说就是将以太坊网络划分成若干能够处理交易的较小组件式网络，不同的验证节点会因为不在同一分片而分别执行不同的任务，因此如果整个网络拥有了100个分片，那么整体的处理性能将会是原来的100倍。假设在工作量证明的机制下，网络被分成了100个分片，那这个时候较小的片就很容易处在被恶意矿工掌控的危险之中，因为攻击者只需要1%的hash算力就可以完全控制一个分片；所以以太坊要实施分片，那么就需要改变以太坊的POW共识机制。

以太坊如何来实施POS

虽然以太坊最终将要转向POS，但是在此之前，开发者们需要先解决权益证明机制的一个最大缺陷。在pos机制下，恶意的节点验证者可以在没有任何损失的情况下去把自己的币押在分叉链上推动硬分叉（而pow机制下，矿工分叉需要消耗算力资源）；这种所谓的“无利害关系”问题是以太坊必须要解决的问题，他们需要一种解决方案，既可以实施POS，同时要减少“无利害关系”问题。因此，以太坊开发者们提出了他们不同于其他POS的Casper协议，在这个协议下，系统可以快速惩罚节点的作恶行为。

Casper的工作机制：

• 验证节点需要在网络上押下一定比例的以太币作为保证金；当他们发现一个可以被添加到链上的区块时，他们将以通过押下赌注来验证它。
• 如果该区块最后被添加到链上，那么验证者们将得到一个跟他们的赌注成比例的奖励。
• 但是，如果某个验证者采用一种恶意的方式行动、试图做“无利害关系”的事，他们将立即遭到惩罚，他们所有的权益都会被砍掉。

通过这些苛刻的激励机制，包括惩罚离线的验证者等等，可以让整个网络得以安全运行，为分片的实施提供必要条件。想想看，假设你是一个节点验者将自己持有的ETH作为保证金存入网络，以最大化网络利益的方式来行事也有利于自己的利益；当你知道作恶会使自己损失保证金的时候，你还会那么做吗？

Pow VS Pos，谁更去中心化

从这张图我们可以看到，目前大部分的以太坊算力基本集中在几个大矿池手中，大的矿工比其他矿工有更大的机会挖到区块获得奖励；而这意味着大矿工可以获得更多钱，进而买的起更好的设备使用更先进的矿场资源。

我们在经济学上有个规模经济的概念，意思是大的企业可以通过提高产量来降低他们单个产品的边际成本；而大矿工可以通过大规模的矿场来分摊固定成本，另外作为一个更大的经营主体，其拥有更强的议价能力。这就意味着，一个大的矿工投资一万元比一个小矿工投资一万元能够获得更多的哈希算力以及挖更多的币，虽然他们投入的资金是等量的。

但是在POS权益证明机制中，每个人投资一份保证金所需要的资金是相同的，规模经济在这里并不会起到太大的左右，这与我们以往所认知的POS更容易加大贫富差距的观点似乎提供了一个对立面的证据。因此为了防止算力中心化导致矿工作恶的潜在风险也是以太坊转POS的一个重要原因。

再说POW机制的高能耗

如图，如果把目前比特币和以太坊挖矿的年用电量加起来放进国家年用电排行榜的话，比特币和以太坊用电量之和能排到第34，超过了巴基斯坦一年的用电量，且增速飞快；其中目前比特币的用电量占全球用电量的0.31%，以太坊则是0.09%。

而如果将比特币、以太坊与VISA的耗电量相比，则结果如下图； 

还有一组更有趣的数据，如果把比特币的能源消耗平摊在每笔交易上的话，比特币一笔交易所消耗的用电量可以满足32个美国家庭一天的用电需求，而以太坊一笔交易所消耗的用电量则可以供应2.24个家庭一天的用电量。  

虽然比特币和以太坊的挖矿机制保障了这两个世界上最大的区块链能够这么多年稳定运行，其自然是非常具有价值的；但是我们仍然需要考虑，如此日益增长的高成本挖矿会不会有更好的方式去避免；而以太坊的Casper有可能会成为替代高耗能挖矿的一种解决方案。

以太坊转POS的进程

近期，以太坊社区已经正式发布了其Casper的第一个版本Casper FFG；一旦Casper FFG被实施，那么以太坊将会先进入一个POW+POS混合挖矿的阶段；这个阶段大多数的区块仍然是通过POW来产出，而有1%的区块则会开始交给POS节点；这样可以让整个网络以较为平缓的方式向POS来进行过渡；而完全切换到POS可能会到以太坊发展路线图的第四阶段“宁静”。

虽然这一天可能还有较长的时间，但是在这个过程中，以太坊的矿工可能需要提早去扶持和参与一些其他的GPU挖矿币种；如果长期看好以太坊的未来，那么则应该在这个阶段多挖多囤ETH，这样也可以在以太坊完全转向POS后作为POS节点来继续得到更多的ETH奖励。