工作量證明機(jī)制下區(qū)塊鏈激勵(lì)機(jī)制的科學(xué)合理性探析

摘要：區(qū)塊鏈的共識(shí)過(guò)程本質(zhì)上是通過(guò)將大規(guī)模的共識(shí)節(jié)點(diǎn)的算力匯集起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)共享區(qū)塊鏈賬本的數(shù)據(jù)驗(yàn)證和記賬工作。在這個(gè)過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的收益是其參與數(shù)據(jù)驗(yàn)證和記賬工作的根本目標(biāo)。因此，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的激勵(lì)機(jī)制，使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)追求自身利益目標(biāo)的行為與保證整個(gè)去中心化區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性和有效性的整體目標(biāo)相符合。比特幣是基于區(qū)塊鏈的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展而來(lái)的數(shù)字貨幣，文章以比特幣為載體介紹了其激勵(lì)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)形式，同時(shí)揭示出作為挖礦收益分配原則的工作量證明機(jī)制其背后的隱患以及采用該機(jī)制的科學(xué)合理性。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;激勵(lì)機(jī)制;工作量證明;挖礦

一、引言

區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一種去中心化的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)運(yùn)用不對(duì)稱加密算法、時(shí)間戳、共識(shí)機(jī)制和激勵(lì)機(jī)制使各個(gè)陌生節(jié)點(diǎn)之間的信任得以保證。激勵(lì)機(jī)制是區(qū)塊鏈系統(tǒng)對(duì)獲取記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)誠(chéng)實(shí)勞動(dòng)的一種獎(jiǎng)勵(lì)方式，如在比特幣系統(tǒng)中，對(duì)取得記賬權(quán)的礦工，以交易的手續(xù)費(fèi)作為其誠(chéng)實(shí)勞動(dòng)的獎(jiǎng)勵(lì)，這也正是激勵(lì)機(jī)制存在的重要意義。

由于區(qū)塊鏈中爭(zhēng)奪記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)眾多且每個(gè)節(jié)點(diǎn)自身的逐利性，為了實(shí)現(xiàn)自身利益的最大化以及收益的穩(wěn)定性，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致各個(gè)節(jié)點(diǎn)加入到礦池中參與挖礦。這樣一來(lái)，由于算力的過(guò)于集中，對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的去中心化造成了威脅，一些惡意節(jié)點(diǎn)可能會(huì)聚集算力對(duì)整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)發(fā)動(dòng)攻擊，威脅到區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性。

本文從激勵(lì)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)形式出發(fā)，揭示了挖礦獎(jiǎng)勵(lì)激勵(lì)的分配標(biāo)準(zhǔn)——工作量證明，并進(jìn)一步指出，在這一標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下必然會(huì)導(dǎo)致礦池的泛濫從而造成算力集中，進(jìn)而對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)造成威脅。但是，即便如此工作量證明機(jī)制仍然憑借其所依賴的哈希算法的安全性，保障著整個(gè)系統(tǒng)的安全有效。

二、區(qū)塊鏈激勵(lì)機(jī)制

在區(qū)塊鏈的六層架構(gòu)模型中，激勵(lì)層屬于其中的重要一層，主要協(xié)調(diào)的是個(gè)體利益最大化與整個(gè)系統(tǒng)安全有效之間的矛盾。那么如何設(shè)計(jì)激勵(lì)機(jī)制才能調(diào)和二者間的矛盾成為了區(qū)塊鏈持續(xù)健康發(fā)展的重要內(nèi)容。

（一）交易手續(xù)費(fèi)激勵(lì)

從發(fā)行機(jī)制上看，比特幣的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)主要由新發(fā)行的比特幣獎(jiǎng)勵(lì)和交易流通過(guò)程中的手續(xù)費(fèi)兩部分組成。所以，各個(gè)節(jié)點(diǎn)為了保障其所獲得的出塊獎(jiǎng)勵(lì)和交易手續(xù)費(fèi)的價(jià)值，自愿參與構(gòu)建共享和可信的區(qū)塊鏈歷史記錄，共同維護(hù)比特幣系統(tǒng)的有效性。

在比特幣系統(tǒng)中，隨著時(shí)間的推移，每個(gè)區(qū)塊發(fā)行比特幣的數(shù)量是逐漸遞減的，從起初的創(chuàng)世區(qū)塊起每個(gè)區(qū)塊發(fā)行高達(dá)50個(gè)比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)給該區(qū)塊的記賬者，隨后每隔四年每個(gè)區(qū)塊發(fā)行比特幣的數(shù)量降低一半。直到比特幣的數(shù)量穩(wěn)定在2100萬(wàn)為止。[1]雖然在比特幣交易的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生手續(xù)費(fèi)，并且這部分的交易費(fèi)用也會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)給區(qū)塊的記賬者，但是隨著比特幣發(fā)行數(shù)量的逐步減少直至最終停止發(fā)行比特幣，各個(gè)節(jié)點(diǎn)從爭(zhēng)奪記賬權(quán)上能夠得到的收益會(huì)越來(lái)越少。直到當(dāng)出塊獎(jiǎng)勵(lì)趨近于零時(shí)，整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)將依賴于交易手續(xù)費(fèi)運(yùn)行，而此時(shí)交易費(fèi)則會(huì)成為比特幣系統(tǒng)健康運(yùn)行的重要保障。節(jié)點(diǎn)的收益則主要來(lái)源于系統(tǒng)中交易的手續(xù)費(fèi)。此時(shí)，手續(xù)費(fèi)成為了保障區(qū)塊鏈系統(tǒng)安全有效的重要推手，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)利益與系統(tǒng)安全的有效協(xié)調(diào)。

（二）挖礦獎(jiǎng)勵(lì)激勵(lì)

隨著區(qū)塊鏈系統(tǒng)的不斷發(fā)展，比特幣已經(jīng)形成了較為成熟的挖礦生態(tài)圈，大量配備專業(yè)礦機(jī)設(shè)備的礦工積極參與到挖礦的PoW共識(shí)過(guò)程來(lái)獲得比特幣，實(shí)現(xiàn)盈利目標(biāo)。挖礦就是利用比特幣挖礦機(jī)來(lái)賺取比特幣，挖礦的一個(gè)重要趨勢(shì)表現(xiàn)為大型礦池的出現(xiàn)，單個(gè)礦工挖礦從平均收益上看是有利可圖的，但是收入是非常不穩(wěn)定的。而且單個(gè)礦工除了挖礦之外，還得維護(hù)區(qū)塊鏈的完整信息，檢驗(yàn)交易的正確性、合法性。這就使得礦工挖礦成功的難度進(jìn)一步提升，因此加入礦池成為了礦工維持收益穩(wěn)定性的一個(gè)選擇。

所謂的礦池，就是把礦工組織起來(lái)作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行挖礦工作。礦池的架構(gòu)一般來(lái)說(shuō)是一個(gè)全節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)很多礦機(jī)，一個(gè)礦池有一個(gè)礦主，下面連著很多的礦工。在礦池中，礦工只負(fù)責(zé)計(jì)算哈希值，當(dāng)那么礦主則負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)上的交易，并把這些交易進(jìn)行打包，組織成一個(gè)候選區(qū)塊，同時(shí)關(guān)注其他礦工發(fā)布區(qū)塊的情況。這樣一來(lái)便解決了職責(zé)分配的問(wèn)題，提高挖礦效率。此外，礦池還解決了礦工收入不穩(wěn)定的問(wèn)題。大量礦工組織在一起挖礦，產(chǎn)生收益后一起參與收益分配，使得收入的穩(wěn)定性得到了提升。那么這個(gè)時(shí)候利益該如何分配呢？在比特幣系統(tǒng)中，礦工工作量的多少成為礦池收益分配的原則。這一分配方法的合理性在于每個(gè)礦工挖到礦的概率是隨機(jī)的，每個(gè)礦工挖到礦的概率取決于他所嘗試的隨機(jī)數(shù)的數(shù)目，他嘗試的隨機(jī)數(shù)越多，也就意味著他所能挖到礦的概率也就越高。

三、工作量證明機(jī)制下的激勵(lì)機(jī)制對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的威脅

區(qū)塊鏈激勵(lì)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)建立在工作量證明的基礎(chǔ)之上。較高的算力意味著挖礦成功的概率較高，但是并不是算力越高越好。礦池作為算力集中的表現(xiàn)，其出現(xiàn)對(duì)比特幣和區(qū)塊鏈去中心化趨勢(shì)產(chǎn)生了潛在的威脅，使得51%的攻擊成為了可能。假如沒(méi)有礦池，如果想要發(fā)動(dòng)51%的攻擊，攻擊者要投入大量的硬件成本來(lái)購(gòu)買到足夠的礦機(jī)來(lái)達(dá)到系統(tǒng)中半數(shù)以上的算力。而產(chǎn)生礦池之后，礦主自身可能只有很少的算力，只要能夠吸引到足夠多的不明真相的礦工加入該礦池就能夠集結(jié)算力發(fā)動(dòng)攻擊，對(duì)區(qū)塊鏈運(yùn)行系統(tǒng)構(gòu)成了威脅，主要表現(xiàn)為：

一是分叉攻擊，假設(shè)甲擁有51%的算力，甲和乙之間存在一個(gè)大額的轉(zhuǎn)賬交易，甲轉(zhuǎn)賬給乙。等到六個(gè)區(qū)塊確認(rèn)之后，甲發(fā)動(dòng)分叉攻擊把錢轉(zhuǎn)給自己，憑借51%的算力讓包含甲轉(zhuǎn)賬給甲自己的這條鏈成為最長(zhǎng)合法鏈。在這一過(guò)程中，礦池里的礦工并不知道自己幫助甲完成了一次分叉攻擊，因?yàn)槊總€(gè)礦工只負(fù)責(zé)計(jì)算哈希值。另外，51%的算力并不是一個(gè)絕對(duì)的閾值，達(dá)到51%就發(fā)動(dòng)攻擊，沒(méi)達(dá)到就不發(fā)動(dòng)攻擊，而且我們對(duì)每一個(gè)礦池所占算力的比重也只是一個(gè)估計(jì)的數(shù)值而已，算力也是在不斷發(fā)生變化的。

二是抵制交易。假設(shè)甲想要全網(wǎng)抵制與乙有關(guān)的所有交易，所有與乙有關(guān)的交易都不能被包含在區(qū)塊鏈中。一旦這個(gè)區(qū)塊中有乙的存在，甲就會(huì)憑借自身51%的算力，立馬分叉產(chǎn)生出一個(gè)不包含乙的區(qū)塊。由于甲占有半數(shù)以上的算力，可以在較短時(shí)間內(nèi)快速延長(zhǎng)這個(gè)鏈條，其目的是為了讓其他礦工沿著該分叉往下挖。而其他礦工也不敢將包含乙的交易進(jìn)行打包，因?yàn)橐坏┐虬蜁?huì)分叉，擾亂其正常的挖礦工作。因此，面對(duì)這些問(wèn)題，我們不免會(huì)對(duì)基于工作量的分配制度產(chǎn)生質(zhì)疑。

四、以工作量為基礎(chǔ)的收益分配制度的科學(xué)思維特征

雖然工作量證明共識(shí)機(jī)制存在以上問(wèn)題，給區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性提出了挑戰(zhàn)，但是以工作量為基礎(chǔ)的收益分配制度也具有其合理性。當(dāng)前，面對(duì)著多種多樣的場(chǎng)景，共識(shí)機(jī)制的設(shè)計(jì)也多種多樣，然而共識(shí)機(jī)制的本質(zhì)始終相同，即消耗資源以換取信任。因此，共識(shí)機(jī)制的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可以總結(jié)為：消耗多少資源，換取多少節(jié)點(diǎn)的信任，換取信任的程度，換取信任的速度，換取信任是否需要前提條件，即資源消耗問(wèn)題、節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展性問(wèn)題、安全性問(wèn)題、效率問(wèn)題以及開(kāi)放性問(wèn)題。[2]

（一）工作量證明機(jī)制的優(yōu)勢(shì)

區(qū)塊鏈的重要特征之一就是去中心化——區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的任何中央機(jī)構(gòu)、中介或參與者都不得擁有過(guò)多的權(quán)力。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展，以及工作量證明機(jī)制自身存在的固有缺陷把我們指向其他可替代的共識(shí)機(jī)制，如，權(quán)益證明機(jī)制等。而權(quán)益證明機(jī)制的設(shè)計(jì)理念就是，不需要用專用的硬件來(lái)達(dá)成共識(shí)，使用挖礦設(shè)備的任何人員都能憑借其持有的比特幣數(shù)量及幣齡參與到爭(zhēng)奪記賬權(quán)的共識(shí)過(guò)程當(dāng)中。這樣一來(lái)就似乎可以應(yīng)對(duì)工作量證明機(jī)制下算力過(guò)于集中的缺陷。以下對(duì)二者進(jìn)行了對(duì)比：

工作量證明機(jī)制（PoW）：該機(jī)制在當(dāng)前的應(yīng)用較為普遍，理論上每個(gè)人都可以使用自己的計(jì)算機(jī)參與計(jì)算獲得挖礦的機(jī)會(huì)，因此擁有更多算力的機(jī)器則擁有更大機(jī)會(huì)找到哈希值，獲得獎(jiǎng)勵(lì)，即算力決定出塊的概率。但在該共識(shí)機(jī)制下，挖礦的出塊時(shí)間較慢，效率低，同時(shí)也會(huì)耗費(fèi)大量資源。而大型礦池的出現(xiàn)給區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全帶來(lái)了一定的威脅。

權(quán)益證明機(jī)制（PoS）：該共識(shí)機(jī)制根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)所擁有比特幣的數(shù)量和時(shí)間，等比例地降低挖礦難度，從而加快找到隨機(jī)數(shù)的速度。這也就說(shuō)明，在這一機(jī)制下，礦工所擁有的比特幣數(shù)量越多且持有比特幣的時(shí)間越長(zhǎng)，成功挖到礦的概率也就越高。這樣一來(lái)，大大減少了達(dá)成共識(shí)的時(shí)間，更加高效，同時(shí)權(quán)益證明機(jī)制所耗費(fèi)的資源較少。但是，在這種情況下，權(quán)益比較容易集中在少數(shù)人的手里，以至形成壟斷的狀況，從而給區(qū)塊鏈的安全性帶來(lái)了問(wèn)題。

因此，可以看出權(quán)益證明機(jī)制雖然效率較高，不存在算力過(guò)于集中的問(wèn)題，但是仍然存在權(quán)益的壟斷的問(wèn)題威脅區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全。

（二）從比特幣系統(tǒng)的價(jià)值本質(zhì)來(lái)看工作量證明機(jī)制的安全性

比特幣作為一種虛擬貨幣之所以有價(jià)值歸根結(jié)底在于信任，而人們對(duì)比特幣的信任，是對(duì)其背后的區(qū)塊鏈系統(tǒng)的信任，是對(duì)該系統(tǒng)安全性的信任。雖然早前有人稱不解決51%的攻擊的問(wèn)題，區(qū)塊鏈的安全性就無(wú)法得到保障。但是實(shí)現(xiàn)51%的攻擊不僅意味著攻擊者要耗費(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)力，同時(shí)也意味著區(qū)塊鏈安全性的崩潰。假設(shè)擁有60%哈希算力的攻擊者成功發(fā)動(dòng)攻擊，本進(jìn)攻會(huì)導(dǎo)致比特幣的基于信任建立起來(lái)的價(jià)值體系崩潰，從而導(dǎo)致攻擊所獲得的比特幣毫無(wú)價(jià)值。

從歷史經(jīng)驗(yàn)上看，自2009年起，工作量證明機(jī)制就開(kāi)始應(yīng)用于比特幣系統(tǒng)中，雖然目前出現(xiàn)了一些針對(duì)區(qū)塊鏈的黑客攻擊和漏洞襲擊，但是在區(qū)塊鏈創(chuàng)建至今的這些年間，仍然沒(méi)有人能夠通過(guò)工作量證明機(jī)制的這些缺陷來(lái)破壞區(qū)塊鏈的運(yùn)行秩序，這也足以證明算力集中對(duì)區(qū)塊鏈的威脅理論上很可能實(shí)現(xiàn)，但是在實(shí)際情況下對(duì)系統(tǒng)攻擊的成功的可能性確實(shí)極低的，這也就說(shuō)明工作量證明機(jī)制的安全性和可靠性足以保障區(qū)塊鏈系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]袁勇，王飛躍.區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2016，42（04）：481-494.

[2]王李笑陽(yáng)，秦波，喬鑫.區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制發(fā)展與安全性[J].中興通訊技術(shù)，2018，24（06）：8-12+40.

[3]韓璇，袁勇，王飛躍.區(qū)塊鏈安全問(wèn)題：研究現(xiàn)狀與展望[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2019，45（01）：206-225.

作者：

朱薇（1997-） 性別：女 民族：漢族 籍貫：湖北鐘祥 研究領(lǐng)域：區(qū)塊鏈技術(shù)與疾病傳播溯源