Conflux 的 PoS Finality 与解读
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Conflux 计划于主网中引入名为 PoS Finality 的机制，本文将就此机制尝试进行解读。本文将主要围绕 PoS Finality 这个概念进行解释，具体而言，就是分别解释清楚
何为
PoS何为
Finality何为
PoS Finality
这三个问题。
何为 PoS
这一部分大体可看作是 Conflux杨光：PoW和PoS的全面比较 内容的一个子集，原文基本把我能想到的东西都说清楚了，不过因此原文篇幅也偏长。熟悉这一概念的读者可以跳过这一部分。
我们不妨先来回顾一下区块链的核心功能：从一个高层次的角度来看，所有的区块链都可以认为是一个去中心化的账本。“去中心化”意味着这个系统的状态由诸多参与者一同决定，并且能在一部分恶意参与者进行破坏的情况下正常工作；“账本”意味着在所有人眼中，区块链中的交易会有一致的顺序（这个性质也叫全序性）。而如何去中心化地维护交易的全序性，就是由区块链中的共识所负责的。
当区块链中的节点身份已知的情况下，可以基于“投票”这一直观的手段构造共识维护账本。这种情况下只要恶意节点的数目小于某个阈值（如 1/3），区块链网络就能安全地运行。而问题在于如何在节点身份未知的互联网环境中维护账本。这时简单地基于节点数进行投票是行不通的，一个恶意的节点可以很容易地实施“女巫攻击”，即控制若干 IP 地址，从而伪造出若干虚假的身份进而突破区块链的安全阈值。一旦安全阈值被突破，区块链的安全性质将无法被保证。而比特币的一个核心贡献就是使用基于“工作量证明”（PoW, Proof of Work）的共识。在比特币网络中，一个节点投入的算力越多，它拥有的投票权越大（比特币中就是越有可能成功打包区块，获得记账权）。这让恶意节点的攻击变得困难。
PoW 所做的事是将难以轻易获取的“算力”映射为了系统中的投票权，从而防止了女巫攻击。而“权益证明”（PoS, Proof of Stake）也是顺着这一思路而被提出的。Stake 指的是系统中的代币（如以太坊中的 Ether），与 PoW 相似，在 PoS 下，一个节点所质押的代币数（而非投入的算力）越多，它的投票权越大。PoS 类共识中，安全阈值变为了Stake比例。
此外 PoS 还隐含着这样的逻辑：大量持币的用户与整条区块链的利害大体是一致的，他们会更倾向于不对区块链发起攻击。否则一旦区块链的安全性出现问题，将直接引起币价下跌，持有大量代币的用户会遭受到更大的损失。
传统BFT, PoW, PoS 的示意图
各类基于 PoS 的共识可能会有比较大的差别，这里不作过多讨论。但一般地，基于 PoS 的协议回避了 PoW 中“挖矿”时需要消耗大量能源的问题，同时也能达成更高的 TPS 并拥有更低的延迟。但 PoS 各类协议中，记账的矿工往往在记账前就已经被决定了，这一性质也带来了诸多 PoW 中没有的攻击，使得 PoS 的协议更为复杂与脆弱，不少攻击也难以被完全杜绝。
何为 Finality
这一部分会简单地介绍区块链中的 Finality 概念。Finality，常译作“最终性”或“最终确定性”。币安的词汇表中是这么解释的：
Finality is the assurance or guarantee that cryptocurrency transactions cannot be altered, reversed, or canceled after they are completed.
可大致意译为：最终性是交易完成（上链）后无法被更改、回滚或取消的保证。
在比特币等大部分使用 PoW 的链（也包括 Conflux）中不存在最终性，或者说，最终性是概率达成的。因为矿工们会根据最长链原则跟随最长链进行挖矿，已上链的交易总有被回滚的可能。下图是一个交易被回滚的典型情况。
D'所在链会成为最长链，tx1会被回滚
区块B中存在着已上链的交易tx1，此时诚实者可见的最新区块为区块C。但如果攻击者私下里成功生成了一条更长的链（最新区块为D'），并将这条链公开，诚实的矿工会根据最长链原则在D'块的基础上进行挖矿，B区块（包括tx1）会随之被回滚。而由于 PoW 中区块是被概率挖出的，即使这个攻击者拥有的算力不高（如10%甚至更低），但只要他足够“幸运”，这种攻击就能成功。
不过不难想象，如果tx1位于的区块更深，比如位于区块M中，攻击者就必须要从比M更早的区块中延伸出一条新的链，这种攻击成功的概率也就越小。一笔交易上链的时间越长，所位于的区块越“深”，被回滚也就可能性就越低。交易总有可能被回滚，但在实际的使用中，但只要这种可能性低到一定程度，我们就会认为一笔交易已经被“确认”了。
在比特币白皮书中基于非常朴素的假设对回滚的概率作出了计算，如下图。
比特币白皮书对区块回滚概率的计算
其中 q 表示攻击者持有的算力比例，z表示回滚的区块数目，P表示攻击者区块被回滚的概率。可以看到，攻击者持有的算力比例越高，回滚就越有可能发生。通常认为，比特币中确认时间为6个区块，约一个小时。可以看到，攻击者算力比例为10%的情况下，发生回滚的概率是小于0.1%的。ConfluxScan 上，一笔交易显示安全等级为高则代表着，攻击者算力比例为15%的情况下，交易发生回滚的概率小于1e-8（0.000001%），这时Conflux提供的SDK都会认为该交易已被确认。
ConfluxScan 中显示的交易状态
而相应的，具有 Finality 的共识，如传统的基于投票机制的 BFT 共识与部分 PoS 类共识，一旦某个区块根据明确的规则得到了”确认“，只要安全假设成立，已确认的交易将不会被回滚。确认的规则则因协议而异。
这里以基于投票机制运作的Hotstuff协议为例进行说明。如下图，M、A区块已根据 Hotstuff 的确认规则被确认，B、C、D区块尚未被确认。Hotstuff中，各个节点按照轮次轮流发起新区块的“提案”，当一个提案收集到 2 / 3 以上节点的投票，也就形成了区块。而在A区块被确认后，诚实的节点将会拒绝为与A区块高度相同的A'区块进行投票，因此A'提案无法收集到足够的投票，也就无法形成一个合法的区块，包含交易的tx1的A区块也不会被回滚。而此时B、C、D区块尚未被确认，如果有节点提案了C'，那么C'区块仍有可能收集到足够多的投票，这也就意味着C区块仍有发生回滚的可能。另一方面来说，如果在A区块被确认后的投票轮次中，A'提案收集到了足够的签名并形成了区块，则意味着恶意节点的比例已经大于 2/3，区块链的安全假设已被突破。
具备最终性的共识中，已确认的交易不会被回滚（以 Hotstuff 为例）
何为 PoS Finality
那么何为 PoS Finality？可以先来参考论坛中的解释。
在一个 PoW 链生态的早期，在全网算力较低的时候，可能会出现 51% 攻击的问题。特别是公有链的发展催生了一些算力租借平台的时候。在去年，以太经典、Grin 和 Verge 都曾出现了 51% 攻击的问题。
为了应对 51% 攻击可能带来的威胁，Conflux 将引入一条独立运行的 PoS 链。PoS 链的共识参与者将定期对树图结构 pivot 区块签名。拥有足够多签名的 pivot 区块应当被所有 PoW 矿工选进 pivot 链，哪怕它的兄弟区块权重更大。简单来说，PoS 链指定了一个 pivot 区块，所有的 PoW 矿工都应该跟随。
这意味着，一旦 PoS 共识对一个 pivot 区块投票，即使 51% 攻击者尝试逆转这个区块，也不会被 PoW 节点认可。
Conflux 要求 PoS 共识克制地使用“指定 pivot 区块”的权力。一个区块首先要根据 PoW 的规则确认满几分钟，诚实的 PoS 节点才会对它进行签名。这意味着，树图结构的区块排序和确认依然由 PoW 的矿工完成。
在 Finality 部分已经提到，PoW 链中矿工往往会跟随“最长链”进行挖矿（Conflux使用的GHAST算法更复杂一些），因此如果攻击者能够自行制造一条最长链，就能任意地逆转已上链的交易。
对此 Conflux 给出的解决办法就是引入一条具备最终性的 PoS 链，由 PoS 链不断投票在 PoW 链上指定 pivot 区块（可以理解为设置 checkpoint），从而使得攻击者（尤其是51%攻击者）无法越过 checkpoint 逆转区块。而这一段最核心的内容在我看来是最后一句，表明PoS链的能力与作用：
一个区块首先要根据 PoW 的规则确认满几分钟，诚实的 PoS 节点才会对它进行签名。这意味着，树图结构的区块排序和确认依然由 PoW 的矿工完成。
在这样的机制下，确认机制如下图：
图中进行了部分简化处理，PoW链并非单链结构，PoS与PoW链的出块频率也并不一致
PoS Finality 能够真正给予 PoW 链 Finality
图中 PoW 链中橙色区块代表回滚概率大于1e-8的尚未被确认区块，橙色区块左侧的绿色区块代表回滚概率低于1e-8的“已确认”区块。而 PoS Finality 引入的变化在于最左侧亮绿色的区块（M、A以及更左侧的未画出的区块）。在当前时刻，PoS 链上已确认的最新区块将 PoW 链中确认足够久的A区块指定为了“检查点”，为 PoW 链提供了一个明确的确认规则，这意味着亮绿色部分的区块将不会被回滚。
此时在 PoW 链中，一个拥有51%以上的算力的攻击者，是有能力从N区块前”分岔“出区块N'，并使得N'区块及其子树获得足够多的权重，成为 pivot 区块的。一旦对应情况发生，遵守GHAST规则的矿工会跟随这次攻击，基于新的树图结构进行挖矿，这也意味着N区块中的交易tx2被回滚。
在 PoS Finality 引入之前，这种情况也会发生在区块A身上。但在引入 PoS Finality 之后，PoW区块中会包含PoS链的信息，矿工能够因此知道 *PoW链上最新的检查点为区块A。这意味着不论 A' 区块下面的子树权重有多少，主链都会选择A所在的链而不是A'，A中的tx1也不会被回滚。
*实际上可能需要进行更复杂一些的查询
PoS Finality 机制的主要功能就是应对 PoW 链中的 51% 算力攻击，而如帖子中所述，去年在ETC、Grin 和 Verge等公链中都发生过51%攻击。如果将来 Conflux 中有大量恶意算力涌入，用户可以借助 PoS 链带来的 Finality 对交易进行确认，这时确认耗时会增加，但即使 51% 攻击发生，亮绿色区块中的交易（如图中的tx1）也不会被回滚。而重要性较低的小额交易可以仍然基于原有规则进行确认，与未引入 PoS Finality 时无异。
小结
本文简单介绍了 PoS Finality 这个概念本身。PoS 机制的一大优势就是 PoS 网络的维护者会更倾向于维护网络安全运行而非进行攻击。Conflux 接下来要引入的 PoS 链 并不是要替代原有的基于 PoW 的树图共识，而是借助 PoS 链所具有的最终性，“克制地”为PoW链提供最终性，并借此抵抗将来可能会发生的51%攻击。
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