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长话短说：以太坊在合并完成后的能源消耗至少能减少99.95%。
以太坊将在接下里的几个月完成向权益证明（PoS）共识机制的过渡，这带来了无数种已被理论化的改进。但既然信标链（ Beacon chain）已经运行了几个月的时间，我们实际上就可以深入研究具体的数字了。我们很高兴 探索 的一个领域涉及新的能源使用估算，因为我们将结束在共识上花费一个国家所耗能源价值的过程。
截至目前，还没有任何关于能源消耗（甚至使用什么硬件）的具体统计数据，因此下面是对以太坊未来能源消耗的粗略估算。
由于很多人都在运行多个验证器，因此我决定使用可存款的独立地址的数量，来作为今天有多少台服务器的代理数。很多质押者可以使用多个 ETH 1.0地址，但这在很大程度上抵消了那些冗余设置。
在撰写本文时，有来自16405个独立地址的140592个验证器。显然，这是由于交易所和staking质押服务造成的偏差，因此移除它们会导致有87,897个验证器被假定是在家里质押的。作为一个健全的检查，这意味着平均每个家庭质押者运行了5.4个验证器，这对我来说似乎是一个合理的估计值。
能源要求
运行一个信标节点（BN）、5.4个验证器客户端（VC）以及一个以太坊1.0全节点需要多少能量？以我的个人设置为基础，大约是15瓦。Joe Clapis（Rocket Pool开发者）最近运行了10个验证器客户端（VC），1个Nimbus信标节点（BN）以及1个10Ah USB电池组的Geth全节点，然后运行了10个小时，这意味着这个设置平均为5瓦。而一般的投资人不太可能运行这样的优化设置，所以我们取100 瓦作为参考数。
将其与之前的87000个验证器相乘，就意味着家庭质押者的消耗电量约为1.64兆瓦。估计托管质押者所消耗的能源会更多一些，他们运行了成千上万个具有冗余和备份的验证器客户端。
为了简化计算，我们还假设他们每5.5个验证器使用100瓦。基于我所接触过的基础设施团队，这是一个粗略的高估值。真正的答案要少50倍左右（如果你是一个质押托管团队，并且每个验证器消耗电量超过5瓦，我相信我可以为你提供帮助）。
因此，总的来说，采用权益证明（PoS）的以太坊网络会消耗大约2.62兆瓦的电量。这不是一个国家的用电规模，也不是省甚至城市的用电规模，而大约是一个小镇（约2100个美国家庭）的用电规模。
作为参考，当前工作量证明（PoW）以太坊网络所消耗的能量相当于一个中等国家的能源，但这实际上是保持PoW链安全所必需的。顾名思义，PoW达成共识的基础是哪个分叉在这方面做的“工作”最多。有两种方法可以提高“工作”完成率，一是提高挖掘硬件的效率，二是同时使用更多的硬件。为了防止区块链被成功攻击，矿工必须比攻击者更快的速度“工作”。由于攻击者很可能拥有类似的硬件，矿工必须保持大量高效的硬件运行，以防攻击者挖出它们，所有这些硬件都会消耗大量的能量。
在PoW共识机制下， ETH 价格与算力正相关。因此，随着价格的上涨，在均衡状态下，网络消耗的电力也会随之增加。而在PoS共识机制下，当 ETH 价格上涨时，网络的安全性也会提高（ ETH 的价值更高），但对能源的需求保持不变。
一些比较
据数字经济学者估计 ，以太坊矿工目前每年要消耗44.49太瓦时的电量，这意味着，根据上述保守估计，PoS的能效提高了约2000倍，这反映了总能源使用量至少减少了99.95%。
如果每笔交易的能耗高于你的速度，则约为35Wh/tx（平均约60K gas/tx）或TV约20分钟的耗电量。相比之下，以太坊PoW每笔交易使用相当于一栋房子2.8天的能量，比特币的每笔交易则消耗相当于一栋房子38天的能量。
展望未来
尽管以太坊目前仍在使用PoW共识机制，但这种情况不会持续太久。在过去的几周里，我们看到了第一批用于合并的测试网的出现（注：The Merge合并是以太坊从PoW切换到PoS时的名称）。几个工程师团队正在加班加点地工作，以确保合并尽快到来，同时又不影响安全性。
扩容解决方案（例如rollup和分片）将通过利用规模化经济来帮助进一步减少每次交易消耗的能量。
以太坊网络超级耗电的日子屈指可数了，我希望这个行业的其他部分也是如此。
12月21日消息，以太坊核心开发人员 Tim Beiko 在Twitter上宣布，以太坊将推出第一个公开测试网 Kintsugi Merge Testnet，用于全面升级到权益证明（PoS）。Tim Beiko 还表示，尽管客户端开发和 UX 会不断改进，但鼓励用户尽早开始使用 Kintsugi，以便在合并后的环境中熟悉以太坊网络。重大升级将由存入 32 ETH 的抵押者执行。目前，230 万个测试网 ETH 已经由相对 7.2万名验证者存入新网络，这表明社区已经为“加密领域最大的升级”做好了充分准备。 此外，根据报告，应用程序开发人员不会有太大变化，仅与共识层或执行层交互的工具也基本不受影响。
什么是权益证明？
权益证明是一种区块链网络达成共识的共识机制。
这将要求用户抵押他们的以太币从而成为网络中合法的验证者。 验证者有着与矿工在 工作量证明（pow）中相同的职责：将交易排序和创建新的区块，以便让所有的节点就网路状态达成一致。
权益证明相较于工作量证明系统有许多改进：
1、提高能效——您不需要大量能源去挖掘区块
2、门槛降低，硬件要求减少——您不需要优秀的硬件从而获得建立新区块的机会
3、更强的去中心化——权益证明可以在网络中提供更多的节点。
4、更有力的支持分片链——一个得以扩展以太坊网络的关键升级
权益证明、权益质押和验证者
权益证明是一种用于激励验证者接受更多质押的基本机制。 就以太币而言，用户需要质押 32ETH 来获得作为验证者的资格。 验证者被随机选择去创建区块，并且负责检查和确认那些不是由他们创造的区块。 一个用户的权益也被用于激励良好的验证者行为的一种方式。 例如，用户可能会因为离线（验证失败）而损失一部分权益， 或因故意勾结而损失他们的全部权益。
以太坊权益证明是如何运作的？
与工作量证明不同的是，验证者不需要使用大量的计算能力，因为它们是随机选择的，相互间没有竞争。 他们不需要开采区块，他们只需要在被选中的时候创建区块并且在没有被选中的时候验证他人提交的区块。 此验证被称为证明。 你可以认为证明是说“这个块在我看来没问题”。 验证者因提出新区块和证明他们已经看到的区块而获得奖励。
如果你为恶意区块提供证明，你就会失去你的股权。
权益证明和安全性
权益证明中仍然存在 51% 攻击的威胁，但对于攻击者来说攻击成本越来越高。 要发起 51% 攻击，你需要掌控 51% 以上的以太币股权。 这不仅仅是一笔巨款，还很有可能导致以太币贬值。 破坏你的货币价值的大部分权益是非常容易的。 当然也有更强有力的激励措施来保持网络的安全和 健康 。
信标链上的权益消减、踢出和其余惩罚、协调来防治其他恶意行为。 验证者还将负责记录这些事件。
优缺点
优点
权益质押让您更容易运行一个节点。 这不需要在硬件或能源方面进行巨额投资。 如果你没有足够的 ETH 来进行质押，你可以加入质押池。
权益质押更加去中心化。 它允许更多人参与，并且更多的节点不意味着像挖矿一样增加百分比的回报。
权益质押可以保证安全的防护。 分片链允许以太坊同时创建多个区块，增加交易输送量。 将以太坊网络置于工作量证明系统内，这会降低网络被攻击所需的算力。
缺点
与工作量证明相比，权益证明仍处于起步阶段，并且没有经过实际应用的测试。
POW：全称Proof of Work，工作量证明。
POS：全称Proof of Stake，权益证明。
这两者都区块链的共识机制，是数字货币的记账方法。
区别是：
1、POW机制：工作量证明机制即对于工作量的证明，是生成要加入到区块链中的一笔新的交易信息(即新区块)时必须满足的要求。在基于工作量证明机制构建的区块链网络中，节点通过计算随机哈希散列的数值解争夺记账权，求得正确的数值解以生成区块的能力是节点算力的具体表现。
2、POS机制：权益证明要求证明人提供一定数量加密货币的所有权即可。权益证明机制的运作方式是，当创造一个新区块时，矿工需要创建一个“币权”交易，交易会按照预先设定的比例把一些币发送给矿工本身。权益证明机制根据每个节点拥有代币的比例和时间，依据算法等比例地降低节点的挖矿难度，从而加快了寻找随机数的速度。
扩展资料：
比特币（BitCoin）的概念最初由中本聪在2009年提出，根据中本聪的思路设计发布的开源软件以及建构其上的P2P网络。比特币是一种P2P形式的数字货币。点对点的传输意味着一个去中心化的支付系统。
与大多数货币不同，比特币不依靠特定货币机构发行，它依据特定算法，通过大量的计算产生，比特币经济使用整个P2P网络中众多节点构成的分布式数据库来确认并记录所有的交易行为，并使用密码学的设计来确保货币流通各个环节安全性。P2P的去中心化特性与算法本身可以确保无法通过大量制造比特币来人为操控币值。
参考资料：百度百科-共识机制
区块链的特点之一是去中心化。也就是节点会分布在各个地方组成分布式系统。各个节点需要对1个问题达成一致，理想情况下，只需要同步状态即可。
如上图所示 B节点将a=1= a=2的状态同步给? ACDE四个节点，这时系统中状态变为a=2, 但如果其中有恶意节点 AE 收到通知后把a=1=a=3修改为错误的节点，这个时候大家的状态就不一致了，此时需要共识机制使系统中得到1个唯一正确的状态。
如上面说到分布式系统存在恶意节点导致系统中状态不一致的情况有1个比较著名的虚拟问题-拜占庭将军问题。
拜占庭将军问题是指，N个将军去攻打一座城堡，如果大于一定数量的将军同时进攻则可以攻打成功，如果小于则进攻失败。将军中可能存在叛徒。
这个时候有2种情况
1.如果2个叛徒都在BCDE中，那么共识算法需要让其余2个将军听从A的正确决策进攻城堡。
2.如果A是1个叛徒，共识算法需要让BCDE中剩余的3个忠诚将军保持一致。
这个问题有很多种解法，大家有兴趣可以自行查阅(推荐学习PBFT)，我们重点来看看以太坊中目前正在使用的Nakamoto?共识和将要使用的?Casper Friendly Finality Gadget共识是如何解决拜占庭将军问题的。
说到Nakamoto共识和Casper Friendly Finality Gadget共识可能大家不太熟悉，但他们的部分组成应该都比较熟悉-POW(工作量证明)和POS(权益证明)。
POW或POS称之为Sybil抗性机制，为什么需要Sybil抗性机制呢，刚刚我们说到拜占庭将军问题，应该很容易看出恶意节点越多，达成正确共识的难度也就越大，Sybil攻击就是指1个攻击者可以伪装出大量节点来进行攻击，Sybil抗性是指抵御这种攻击能力。
POW通过让矿工或验证者投入算力，POS通过让验证者质押以太坊，如果攻击者要伪装多个节点攻击则必将投入大量的算力或资产，会导致攻击成本高于收益。在以太坊中保障的安全性是除非攻击者拿到整个系统51%算力或资产否则不可能进攻成功。
在解决完Sybil攻击后，通过选取系统中的最长链作为大家达成共识的链。
很多人平时为了简化将pow和pos认为是共识机制，这不够准确，但也说明了其重要作用，我们下面分析pow和pos。
通过hash不可逆的特性，要求各个矿工不停地计算出某个值的hash符合某一特征，比如前多少位是000000，由于这个过程只能依赖不停的试错计算hash,所以是工作量证明。计算完成后其他节点验证的值符合hash特征非常容易验证。验证通过则成为成为合法区块(不一定是共识区块，需要在最长链中)。
以太坊中的挖矿算法用到2个数据集，1个小数据集cache,1个大数据集DAG。这2个数据集会随着区块链中区块增多慢慢变大，初始大小cache为16M DAG为1G。
我们先来看这2个数据集的生成过程
cache生成规则为有1个种子随机数seed，cache中第1个元素对seed取hash，后面数组中每个元素都是前1个元素取hash获得。
DAG生成规则为?找到cache中对应的元素后?根据元素中的值计算出下次要寻找的下标，循环256次后获得cache中最终需要的元素值进行hash计算得到DAG中元素的值。
然后我们再看看矿工如何进行挖矿以及轻节点如何验证
矿工挖矿的过程为，选择Nonce值映射到DAG中的1个item，通过item中的值计算出下次要找的下标，循环64次，得到最终item，将item中的值hash计算得到结果，结果和target比较，符合条件
则证明挖到区块，如果不符合则更换nonce继续挖矿。矿工在挖矿过程中需要将1G的DAG读取到内存中。
轻节点验证过程和矿工挖矿过程基本一致，
将块头里面的Nonce值映射到DAG中的1个item，然后通过cache数组计算出该item的值，通过item中的值计算出下次要找的下标，循环64次，得到最终item，将item中的值hash计算得到结果，结果和target比较，符合条件则验证通过。轻节点在验证过程中不需要将1G的DAG读取到内存中。每次用到DAG的item值都使用cache进行计算。
以太坊为什么需要这2个不同大小的数组进行辅助hash运算呢，直接进行hash运算会有什么问题？
如果只是进行重复计算会导致挖矿设备专业化，减少去中心化程度。因为我们日常使用的计算机内存和计算力是都需要的，如果挖矿只需要hash运算，挖矿设备则会设计地拥有超高算力，但对内存可以缩小到很小甚至没有。所以我们选用1G的大内存增加对内存访问的频率，增加挖矿设备对内存访问需求，从而更接近于我们日常使用的计算机。
我们看看在Nakamoto共识是如何解决拜占庭将军问题的。首先看看区块链中的拜占庭将军问题是什么？
区块链中需要达成一致的是哪条链为主链，虽然采用了最长链原则，但由于分叉问题，还是会带来拜占庭将军问题。
本来以太坊pow目标是抵抗51%以下的攻击，但如上图如果恶意节点沿着自己挖出的区块不断挖矿，由于主链上有分叉存在，恶意节点不需要达到51%算力就可以超过主链进而成为新的主链，为此以太坊使用了ghost协议给上图中的B1和C1也分配出块奖励，尽快合并到主链中，这样主链长度(按照合并后的总长度算，长度只是抽象概念，以太坊中按照区块权重累加)还是大于恶意节点自己挖矿的。
网络中的用户通过质押一定数量的以太坊成为验证者。每次系统从这些验证者从随机选择出区块创建者，其余验证者去验证创建出的区块是否合法。验证者会获得出块奖励，没有被选中的区块不进行验证则会被扣除一定质押币，如果进行错误验证则会被扣除全部质押币。
如上图，权益证明在每隔一定区块的地方设置一个检查点，对前面的区块进行验证，2/3验证者通过则验证通过，验证通过则该区块所在链成为最长合法链(不能被回滚)。
我们简化地只分析了权益证明本身，在以太坊中权益证明较为复杂的点在于和分片机制结合在一起时的运行流程，这部分会在后面单独将分片机制的一篇文章中详述。
本篇文章主要讨论了共识机制是解决分布式系统中的拜占庭将军问题，以及分析了以太坊中的共识机制一般包括最长链选择和一种sybil抗性机制(pow或pos)。重点分析了pow和pos的流程以及设计思想。后续将开始重点讨论智能合约的部分。
这个不好说，理论上应该pow更有利于价格的问题。不过，也要具体问题具体分析，以太坊都计划采用POS机制。
在很多社区的讨论中，在许多人的眼里，似乎把POS（Proof of Stake，权益证明）和POW（Proof of work，工作量证明）视为完全对立的两种证明方式，POW是中本聪最早提出的工作量证明方式，而POS是目前许多二代币逐渐采用的方式。
而DPOS则是DPOS机制似乎又重新把权利归还到那些持有数字货币的人手上。但是目前比较成功的币种都是采用POW，例如比特币、DECENT、狗狗币等等。
POS是一种在公链中的共识算法，可作为POW算法的一种替换。POW是保证比特币、当前以太坊和许多其它区块链安全的一种机制，但是POW算法在挖矿过程中因破坏环境和浪费电力而受到指责。POS试图通过以一种不同的机制取代挖矿的概念，从而解决这些问题。
【拓展资料】
POS机制可以被描述成一种虚拟挖矿。鉴于POW主要依赖于计算机硬件的稀缺性来防止女巫攻击，POS则主要依赖于区块链自身里的代币。在POW中，一个用户可能拿1000美元来买计算机，加入网络来挖矿产生新区块，从而得到奖励。而在POS中，用户可以拿1000美元购买等价值的代币，把这些代币当作押金放入POS机制中，这样用户就有机会产生新块而得到奖励。在POW中，如果用户花费2000美元购买硬件设备，当然会获得两倍算力来挖矿，从而获得两倍奖励。同样，在POS机制中投入两倍的代币作为押金，就有两倍大的机会获得产生新区块的权利。
众所周知，第三季度的“DeFi热”促使以太坊网络上的交易量大幅增加，DappRadar 2020 Q3 Dapp报告指出，以太坊交易量在2020年第三季度猛增至1195亿美元，与第二季度相比增长了近1200%，但随着而来的是网络堵塞，交易费猛增。在今年9月9日，以太坊平均交易费用达到14美元的高度，刷新历史记录。因费用飙升，导致许多交易只能延迟。
EOS创始人BM感叹称：对于大多数正常规模的交易来说，以太坊交易费用太高了。
目前的以太坊仍然面临多重问题，首先老生常谈的是上面提到的交易处理，以太坊网络支持数千个去中心化应用程序，每秒都需要处理大量交易，而采用PoW共识机制的以太坊1.0，每秒只能处理约10-50笔交易，远小于PayPal、Visa 等中心化网络，远无法满足用户对于交易速度的需求。手续费高昂一直是以太坊被诟病的一个重要的点，V神直言，在rollups和分片完成之前，以太坊别无选择，只能忍受高额交易费。因此以太坊需要升级。
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