比特币底层激励机制浅析

除了作为管理和转移资金的协议之外，比特币协议还为管理内部网络创建了一套经济激励措施。这些机制深刻影响比特币协议的性能及其安全保障，甚至影响比特币未来的发展路径。本文探讨了比特币协议的潜在经济方向、优势和劣势，以及它们如何影响协议本身。广受欢迎的比特币建立在开放的点对点 (P2P) 网络之上。比特币系统是“无许可的”——任何人都可以选择加入网络、汇款，甚至参与经过许可的交易授权。比特币安全的关键是它能够抵抗创建多个虚假身份和操纵网络的攻击者。毕竟，任何人都可以下载比特币开源代码，成为比特币节点，并将任意数量的计算机添加到网络中，而无需向其他任何人表明自己的身份。为了解决这个问题，通过让节点积极参与协议，比特币协议要求系统中的节点表明他们已经花费了大量的计算能力来解决复杂的密码难题（工作证明）。

这些参与解谜工作的节点被称为“矿工”。系统将以比特币奖励完成工作量证明的矿工，从而形成算力投资的激励机制。对于在计算机上挖矿并获得比特币报酬的参与者来说，第一个也是最明显的影响是，当比特币有足够的价值时，人们就会大规模挖矿。事实上，人们的挖矿力度越来越大，已经发展到将大部分挖矿工作转移到使用专用设备的计算机矿场：首先，图形处理单元（GPU）用于大规模并行挖矿；后来，使用定制芯片或专用集成电路（ASIC）来完成比特币核心协议的计算工作（使用 ASIC 的机器在挖矿时比普通个人电脑快一百万倍）。比特币网络迅速扩张并变得更加安全，而定期支付协议的竞争也愈演愈烈。

比特币经济学中的难度调整与挖矿经济均衡：

根据比特币协议，出块率大致保持不变：出块的预期时间是 10 分钟左右的任意间隔。如果块创建得太快，生成块所需的工作量证明的难度会自动增加。这种机制通过向系统增加更多的计算能力来确保块不会被淹没。因此，无论在挖矿中投入多少算力，系统都会以相对恒定的费率向矿工支付报酬。显然，随着比特币（美元）价格上涨比特币的运营模式，挖矿操作（产生比特币奖励）变得有利可图，因此越来越多的参与者加入矿工，导致出块难度不断增加。随着难度的增加，采矿慢慢变得更加昂贵。理想情况下，当创建块的成本等于收到的奖励时，系统达到平衡。事实上，挖矿总是有微利的——挖矿是有风险的，而且还需要对设备进行初始投资，这需要补偿来支付这些费用。因此，比特币根据价值来调整其安全性：价值越高，也意味着协议的安全性越高。随着挖矿回报持续下降（根据协议规定的挖矿时间表），创建区块的动机预计将更多地依赖交易费用。如果比特币交易量突然下降，这些费用可能不足以补偿矿工的计算资源，可能导致一些矿工暂停出块。这可能会危及系统，因为交易的安全性取决于所有诚实矿工的积极参与。

许多人抱怨说，制作区块所需的计算会浪费资源（尤其是电力），并且除了保护免受潜在攻击者之外没有其他经济目标。工作量证明实际上只是解决了无用的密码难题——然而这种“无用”的工作却保证了比特币网络的安全。但是，如果其中一些工作可能有用，或者可以更有效地执行呢？如果每个节点挖矿不浪费资源，那么攻击系统就没有成本。事实上，如果工作量证明更容易，更多诚实的参与者将加入挖矿（并获得报酬），很快难度调整机制将再次增加难度。因此，从某种意义上说，比特币的工作量证明需要消耗一定数量的资源，而不管单个矿工的挖矿效率如何。在不被增加的成本抵消的情况下从采矿中获得可观的收益，需要一种工作量证明方法，这种方法通常对社会有益，对矿工无用。

去中心化挖矿：

比特币协议的关键在于它的去中心化：一个人并不比其他人拥有更大的权限或对系统的控制权。这既增加了系统的弹性，使其不依赖于单个信任锚，也不受单点故障的限制，也增加了不同参与者之间对挖矿费用的竞争。为了维持这种去中心化，比特币挖矿必须由多个矿工完成，没有一个矿工会拥有极其突出的算力。理想情况下，给予矿工的报酬应该反映他们的投入：平均而言，贡献一定比例计算资源的矿工应该创建一定比例的区块，并获得一定比例的费用和区块奖励。事实上，由于多种原因，一些参与者从采矿中获得了不成比例的回报。这种不平衡的奖励分配有利于具有更大计算能力的大型矿工，使他们比小型矿工更有利可图，并集中了由经济驱动的系统。即使矿工的一点点优势也可能危及系统，因为矿工可以使用额外的奖励来购买更多的计算能力，这增加了挖矿的难度，并使其他较小（因此利润较低）的矿工退出了这个游戏。这种赢家通吃的动态过程必然会导致系统的中心化，系统将由获胜的矿工主导，安全性得不到保障。

ASIC 挖矿：

ASIC 的出现首次震撼了比特币社区。在挖掘比特币时，ASIC 比以前的系统效率高出几个数量级。这种特殊的硬件最初并不容易获得，因此 ASIC 为其所有者提供了优于其他矿工的优势：他们可以以较低的成本进行开采。具有这种优势的矿工会在系统中添加基于 ASIC 的工作量证明，直到难度高到其他矿工放弃挖矿为止。在这一点上，一个能够使用 ASIC 的大型矿工将主导比特币系统的风险正在发展。但过了一段时间，随着 ASIC 的商业化和广泛使用，担忧消退了。事实上，ASIC 挖矿对安全性有着深远的影响。在本文后面，我们将讨论矿工如何进行双花和自私的挖矿攻击以获取利润。有人可能会争辩说，即使是自私和投机的矿工也想避免这些攻击。在 ASIC 等采矿设备上投资数百万美元的矿工正在押注比特币的未来价值：矿工期望比特币在未来获得长期回报。如果矿工使用此类设备攻击比特币系统，则对货币的信任度将下降，并导致比特币的价值和未来收益下滑。从某种意义上说，矿工的利益与整个系统的健康息息相关。总而言之，ASIC 给系统带来了“进入壁垒”，普通人无法轻易参与挖矿比特币的运营模式，从而削弱了去中心化程度。另一方面，它引入了“退出门槛”，矿工不能将他们的设备重新用于其他经济活动，从而有助于系统安全。莱特币等竞争性加密货币的出现，本质上是比特币的克隆，为想要转移计算能力的矿工提供了一个场所，其中一些使用与比特币相同的工作量证明。这创造了一个复杂的市场动态过程。例如，当一种货币失去一定价值时，矿工会将自己的算力转移到其他加密货币上，直到重新调整挖矿难度。这会导致区块创建的波动，使小规模数字货币变得不稳定。

非 ASIC 挖矿系统：

有趣的是，一些加密货币使用不同的工作量证明来抵抗 ASIC 挖矿，即选择一个让矿工难以理解的特定难题 特殊硬件旨在应对这些挑战。例如，以太坊使用 Ethash 谜题。这通常是通过设计需要广泛访问其他资源（例如内存）的算法问题来实现的，并且可以通过商用硬件有效地解决这些问题。这些替代系统原则上更加分散，但另一方面，它们缺乏退出障碍和对安全的贡献。当云挖矿变得司空见惯时，它也会产生类似去中心化的效果。一些采矿实体在云中提供设备租赁服务。这些业务的客户实际上是长期不打算参与挖矿的矿工。随着这些服务变得更便宜、更容易获得，任何人都可以很容易地成为一名临时矿工。云挖掘可能具有类似于替代系统的安全隐患。

ASICBoost：

回想一下，创建区块需要解决特定于该区块的密码难题。这涉及猜测密码散列函数的输入。解决难题主要是通过列举不同输入的蛮力来完成的。矿工可以通过比同行更有效地创建区块来获得优势。除了使用更好的硬件之外，它主要是算法优势。最近，一种称为 ASICBoost 的算法受到关注。该算法使矿工能够重用一个输入进程的计算能力来执行另一个输入。该算法是专有的，正在申请专利，目前尚不清楚谁在使用它。这样的算法可以降低哈希计算过程中的功耗。比特大陆是一家大型 ASIC 采矿设备制造商，也经营着多个矿池，被指控部署 ASICBoost 的硬件变体以提高利润。有指控称，该公司正在阻止一些协议改进，从而阻止他们采用 ASICBoost。

通讯：

提高矿工效率的另一种方法是投资通信基础设施。通过更快地传播块并更快地接收其他块，矿工可以减少他们的块被丢弃（即“孤立”）的机会，因为它们不属于最长的链。由于主链外的区块无法获得奖励，因此更好的网络连接可以减少损失。诚然，以比特币目前的区块创建速度，这种优势相当小；区块的创建速度很慢，将交付时间提前几秒钟只会产生很小的优势。尽管如此，更好的互联网连接是一种相对具有成本效益的赚钱方式。此外，随着协议规模的增加和事务处理的加速，通信优化的效果变得更加明显。今天，比特币平均每秒结算 3-7 笔交易。更改比特币的参数以提高交易处理速度会增加孤块的比例，也可以放大具有良好网络连接的矿工的优势。

规模经济：

与任何大型个体一样，专业矿工享受规模经济带来的好处。随着挖矿规模的扩大，这些矿工可能会投资进行不同的优化，例如寻找廉价的电源，或者将设备放置在较冷的区域以提供更高效的冷却性能（挖矿通常会消耗大量电力，设备冷却是一个真正的挑战）大型矿工还可以批量购买更实惠的 ASIC。所有这些都转化为自然的规模优势，这种现象不仅存在于比特币中，也存在于许多行业中。这种效应为大型矿工提供了优势，并慢慢将系统拉向中心化。今天，许多人担心大多数比特币挖矿是由中国矿工完成的。与其他地区相比，中国矿工更容易获得 ASIC、更便宜的电力和相对较弱的监管。中国政府严格控制进出该国的互联网流量，这可能会破坏比特币系统，甚至扣押其境内的采矿设备。