比特幣底層的激勵機制簡析

除瞭作為一個管理和轉移資金的協議之外,比特幣協議還創建瞭一套管理內部網絡的經濟激勵機制。這些機制深刻地影響瞭比特幣協議的性能及其安全保證,甚至影響瞭比特幣未來的發展道路。本文探討瞭比特幣協議潛在的經濟發展方向,其長處與不足,以及它們是如何影響協議本身的。不斷被人們熱捧的比特幣,是建立在一個開放的點對點(P2P)網絡上的。比特幣系統是“無許可”的——任何人都可以選擇加入網絡,匯款轉賬,甚至參與交易的許可授權。比特幣安全性的關鍵在於能抵禦攻擊者們創建多個虛假身份並操縱網絡。畢竟,任何人都可以下載比特幣開源代碼,成為比特幣節點,並向這個網絡添加任意數量的計算機,而不用向其他人證明自己的身份。為瞭解決這個問題,讓節點積極參與到協議中,比特幣協議要求系統中的節點表明,他們已經花費瞭大量算力來解決復雜的密碼難題(工作量證明)。

這些參與到解決難題工作中的節點,被稱為“礦工”。系統會將比特幣獎勵給完成工作量證明的礦工們,從而為算力投資創造瞭激勵機制。對於在計算機上挖礦並獲得以比特幣為支付報酬的參與者,第一個且最明顯的影響是,當比特幣有瞭足夠的價值,人們便會大規模地挖礦。事實上,人們對於挖礦的付出愈演愈烈,已經發展到瞭將大多數挖礦工作轉移到使用專業設備的計算機礦場:剛開始,使用圖形處理器(GPU)來進行大規模並行挖礦;之後,使用定制芯片,或者專用集成電路(ASIC)來完成比特幣核心協議的計算工作(在挖礦時,使用專用集成電路的機器比常規的個人計算機快瞭百萬倍)。比特幣網絡迅速擴張並且變得更加安全,對協議定期發放報酬的競爭也愈發激烈。

比特幣經濟學之難度調整和挖礦經濟均衡:

根據比特幣協議,區塊的創建速率大致保持不變:區塊創建的期望時間為10分鐘左右的任意區間。如果區塊創建得太快,則生成區塊所需的工作量證明的難度會自動增加。這種機制可以確保區塊不會因為向系統添加更多算力而泛濫。因此,不管投資於挖礦的算力有多少,系統以相對恒定的速度向礦工提供報酬。顯然,隨著比特幣價格(以美元計)的上升,挖礦業務(產生以比特幣計價的報酬)變得有利可圖,於是越來越多的參與者加入到礦工行列,導致區塊創建的難度持續增加。隨著難度的增加,挖礦的代價慢慢變得更加昂貴。在理想情況下,當區塊創建的成本等於所得報酬時,系統達到平衡。事實上,挖礦總是會略有盈利——挖礦是有風險的,而且還需要對設備進行初始投資,這要求報酬能彌補這些支出。因此,比特幣根據價值調整自身的安全性:價值更高也意味著協議的安全性更高。隨著挖礦回報率持續下降(按協議規定的挖礦時間表),創造區塊的動機預計將更多地依賴於交易手續費。如果比特幣交易量突然下降,這些費用則可能不足以補償礦工的計算資源,可能致使一些礦工暫停創建區塊。這可能危及系統,因為交易的安全性取決於所有誠實礦工的積極參與。

許多人抱怨說,制造區塊所需的計算浪費瞭資源(尤其是電力)而且除瞭防范潛在的攻擊者之外,沒有其他經濟目標。工作量證明確實隻是求解無用的密碼難題—然而這個“無用”的工作可以保護比特幣網絡的安全。但是,如果其中某些工作可能有用,或者可以更有效率地執行呢?如果每個節點挖礦不浪費資源,那麼對系統進行攻擊也不需要付出任何代價。事實上,如果工作量證明比較容易,更多誠實的參與者就會加入挖礦(收取報酬),很快難度調整機制又會增加難度。因此,從某種意義上說,無論個體礦工的挖礦效率如何,比特幣的工作量證明都需要消耗一定量的資源。要從挖礦中獲得可觀的收益,而不會被增加的成本抵消,這需要一種大體上對社會有益而對礦工無用的工作量證明方法。

挖礦的去中心化:

比特幣協議的關鍵在於其去中心化:單一個體不會比他人優先擁有更大的系統權限或控制力。這既提高瞭系統的韌性,使其不依賴於單一的信任錨點,也不會受限於單點故障,又增加瞭不同參與者之間對挖礦手續費(minging fees)的競爭。為瞭保持這種去中心化,比特幣的挖礦必須由多個礦工來完成,並且任何一個礦工都不會具有極其突出的算力。理想情況下,給予礦工的報酬應反映他們的投入:平均情況下,貢獻瞭a比例計算資源的礦工應創建相應a比例的區塊,並抽取相應a比例的手續費和區塊報酬。實際上,出於一些原因,部分參與者會從挖礦中獲得比例失衡的收益。這種不平衡的報酬分配讓利益偏向於擁有更大算力的大型礦工,使他們比小礦工更有利可圖,並在經濟驅動下形成系統的中心化。即使礦工擁有微小的優勢也會危及系統,因為礦工可以使用額外的回報來購買更多的算力,這就增加瞭挖礦的難度,使其他更小的(也因此可獲利更少)礦工退出這場遊戲。這種贏傢通吃的動力學過程難免導致系統的中心化,系統將由獲勝的礦工支配,那麼安全性也將無法保證。

ASIC挖礦:

ASIC的出現首次震撼瞭比特幣社區。在挖掘比特幣方面,ASIC的效率比之前的系統高出瞭幾個數量級。這種特殊的硬件最初並不容易獲得,因此ASIC為其所有者提供瞭比其他礦工更大的優勢:他們可以用更低的成本挖礦。擁有這種優勢的礦工會為系統添加基於ASIC的工作量證明,直到難度高到其他礦工都放棄挖礦。此時風險會發展為一個能使用ASIC的大礦工將主宰比特幣系統。但一段時間以後,擔憂逐漸消退,因為ASIC已經商業化並且被廣為使用。事實上,ASIC挖礦對安全性有深遠影響。本文稍後將討論礦工如何進行雙花和自私挖礦攻擊,以謀取利益。有人可能會認為,即使是自私和投機性的礦工也想避免這些攻擊。投資數百萬美元購買ASIC等挖礦設備的礦工,是在押註比特幣的未來價值:礦工們希望在未來得到長期的比特幣回報。如果礦工使用這種設備來攻擊比特幣系統,那麼對該貨幣的信任就會下降,並且會造成比特幣的價值和未來回報的滑落。從某種意義上來講,礦工的利益與整個系統的健康息息相關。總而言之,ASIC為系統帶來瞭“準入門檻”,因為普通人無法輕易加入挖礦工作,因此削弱瞭去中心化程度。另一方面,它又引入瞭一種“退出門檻”,礦工不能將他們的設備重新用於其他經濟活動,因此有助於系統安全。與比特幣競爭的加密貨幣(例如,本質上克隆瞭比特幣的萊特幣)的出現,為想要轉移算力的礦工提供瞭去處,其中一些加密貨幣使用與比特幣相同的工作量證明。這帶來瞭復雜的市場動力學過程。例如,當某貨幣失去一定價值時,礦工會將算力轉移到其他加密貨幣上,直到挖礦難度被重新調整。這可能會導致區塊創建的波動,使得小規模的數字貨幣變得不穩定。

非ASIC挖礦系統:

有趣的是,一些加密貨幣使用瞭不同的工作量證明,可對抗ASIC挖礦,即選擇特定難題,使礦工很難設計出針對這些難題的特殊硬件。例如,以太坊使用瞭Ethash難題。這通常是通過設計需要大量訪問其他資源(如存儲器)的算法問題來實現的,並且市售的硬件可有效地解決這些問題。這些替代系統原則上更加去中心化,但另一方面,它們缺乏退出門檻以及對安全性的貢獻。當雲挖礦變得普及時,也會產生類似去中心化的影響。一些挖礦個體在雲端提供設備租賃服務。這些業務的客戶實際上是不打算長期參與挖礦的礦工。隨著這些服務變得更便宜和更可用,任何人都可以輕松地成為臨時礦工。雲挖礦對安全會產生類似替代系統的影響。

比特幣底層的激勵機制簡析

ASICBoost:

回想一下,創建區塊需要解決這個區塊特有的密碼難題。這涉及猜測加密哈希函數的輸入。解決難題主要是通過蠻力枚舉不同的輸入來完成的。礦工可以使用比同行更高效的方法創建區塊來獲得優勢。除瞭使用更好的硬件之外,主要是從算法上獲得優勢。最近一個被稱為ASICBoost的算法成為被關註的對象。該算法使礦工能夠重新使用一個輸入過程的算力來執行另一個輸人。這種算法是專有的,正在申請專利,並且還不清楚哪些人正在使用此算法。這樣的算法可以降低哈希計算時的功耗。比特大陸(Bitmain)是ASIC挖礦設備的大型制造商,同時運營瞭一些礦池,近日被指控部署瞭ASICBoost硬件變體來提高利潤。有指控稱這傢公司阻礙瞭一些協議的改進,而這些改進恰好可以使他們無法采用ASICBoost。

通信狀況:

另一種提高礦工效率的方法是投資通信基礎設施。通過更快地傳播區塊,並更快地接收其他區塊,礦工可以減少其區塊不屬於最長鏈而被丟棄(即成為“孤兒區塊(orphaned)”)的機會。由於脫離主鏈的區塊無法獲得獎勵,更好的網絡連接可減少損失。無可否認,在目前比特幣的區塊創建速度下,這種優勢相當微弱;區塊創建緩慢,並且僅僅將交付時間提前幾秒鐘也隻能產生較小的優勢。盡管如此,更好的網絡連接仍然是獲得更多利潤相對劃算的方式。此外,當協議規模增大並且交易處理加速時,通信優化的效果變得更加顯著。如今,比特幣平均每秒結算3-7筆交易。改變比特幣的參數以提高交易處理速度會增加孤兒塊的比例,也會放大具有良好網絡連接的礦工的優勢。

規模經濟:

與任何大型個體一樣,專業礦工享受規模經濟帶來的效益。隨著挖礦規模的擴大,這些礦工可能對不同優化方案進行投資,例如尋找廉價電力資源,或將設備放置在較冷的地區以提供更有效的冷卻處理性能(挖礦通常會消耗大量電力,設備冷卻是一個現實的挑戰)大型礦工還會批量購買更實惠的ASIC。所有這一切都轉化為規模的自然的優勢,這個現象不僅存在於比特幣中,在許多行業也有同樣的情況。此效應為大型礦工帶來瞭優勢,並慢慢地將系統拉向中心化。如今,很多人對大多數比特幣挖礦都是由中國礦工完成產生瞭擔憂。與其他地區相比,中國礦工更容易獲得ASIC,擁有更便宜的電力和相對較弱的監管。中國政府嚴格控制進出中國的互聯網流量,這或許會破壞比特幣系統,甚至扣押在其境內的挖礦設備。

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