工作量證明機制下區塊鏈激勵機制的科學合理性探析

摘要：區塊鏈的共識過程本質上是通過將大規模的共識節點的算力匯集起來，從而實現共享區塊鏈賬本的數據驗證和記賬工作。在這個過程中各個節點的收益是其參與數據驗證和記賬工作的根本目標。因此，必須設計相應的激勵機制，使得各個節點追求自身利益目標的行為與保證整個去中心化區塊鏈系統的安全性和有效性的整體目標相符合。比特幣是基于區塊鏈的應用技術發展而來的數字貨幣，文章以比特幣為載體介紹了其激勵機制的實現形式，同時揭示出作為挖礦收益分配原則的工作量證明機制其背后的隱患以及采用該機制的科學合理性。

關鍵詞：區塊鏈;激勵機制;工作量證明;挖礦

一、引言

區塊鏈本質上是一種去中心化的數據庫，通過運用不對稱加密算法、時間戳、共識機制和激勵機制使各個陌生節點之間的信任得以保證。激勵機制是區塊鏈系統對獲取記賬權的節點誠實勞動的一種獎勵方式，如在比特幣系統中，對取得記賬權的礦工，以交易的手續費作為其誠實勞動的獎勵，這也正是激勵機制存在的重要意義。

由于區塊鏈中爭奪記賬權的節點眾多且每個節點自身的逐利性，為了實現自身利益的最大化以及收益的穩定性，勢必會導致各個節點加入到礦池中參與挖礦。這樣一來，由于算力的過于集中，對區塊鏈系統的去中心化造成了威脅，一些惡意節點可能會聚集算力對整個區塊鏈系統發動攻擊，威脅到區塊鏈系統的安全性。

本文從激勵機制的實現形式出發，揭示了挖礦獎勵激勵的分配標準——工作量證明，并進一步指出，在這一標準的推動下必然會導致礦池的泛濫從而造成算力集中，進而對區塊鏈系統造成威脅。但是，即便如此工作量證明機制仍然憑借其所依賴的哈希算法的安全性，保障著整個系統的安全有效。

二、區塊鏈激勵機制

在區塊鏈的六層架構模型中，激勵層屬于其中的重要一層，主要協調的是個體利益最大化與整個系統安全有效之間的矛盾。那么如何設計激勵機制才能調和二者間的矛盾成為了區塊鏈持續健康發展的重要內容。

（一）交易手續費激勵

從發行機制上看，比特幣的經濟激勵主要由新發行的比特幣獎勵和交易流通過程中的手續費兩部分組成。所以，各個節點為了保障其所獲得的出塊獎勵和交易手續費的價值，自愿參與構建共享和可信的區塊鏈歷史記錄，共同維護比特幣系統的有效性。

在比特幣系統中，隨著時間的推移，每個區塊發行比特幣的數量是逐漸遞減的，從起初的創世區塊起每個區塊發行高達50個比特幣的獎勵給該區塊的記賬者，隨后每隔四年每個區塊發行比特幣的數量降低一半。直到比特幣的數量穩定在2100萬為止。[1]雖然在比特幣交易的過程中會產生手續費，并且這部分的交易費用也會獎勵給區塊的記賬者，但是隨著比特幣發行數量的逐步減少直至最終停止發行比特幣，各個節點從爭奪記賬權上能夠得到的收益會越來越少。直到當出塊獎勵趨近于零時，整個區塊鏈系統將依賴于交易手續費運行，而此時交易費則會成為比特幣系統健康運行的重要保障。節點的收益則主要來源于系統中交易的手續費。此時，手續費成為了保障區塊鏈系統安全有效的重要推手，實現了節點利益與系統安全的有效協調。

（二）挖礦獎勵激勵

隨著區塊鏈系統的不斷發展，比特幣已經形成了較為成熟的挖礦生態圈，大量配備專業礦機設備的礦工積極參與到挖礦的PoW共識過程來獲得比特幣，實現盈利目標。挖礦就是利用比特幣挖礦機來賺取比特幣，挖礦的一個重要趨勢表現為大型礦池的出現，單個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定的。而且單個礦工除了挖礦之外，還得維護區塊鏈的完整信息，檢驗交易的正確性、合法性。這就使得礦工挖礦成功的難度進一步提升，因此加入礦池成為了礦工維持收益穩定性的一個選擇。

所謂的礦池，就是把礦工組織起來作為一個整體來進行挖礦工作。礦池的架構一般來說是一個全節點驅動很多礦機，一個礦池有一個礦主，下面連著很多的礦工。在礦池中，礦工只負責計算哈希值，當那么礦主則負責監聽網上的交易，并把這些交易進行打包，組織成一個候選區塊，同時關注其他礦工發布區塊的情況。這樣一來便解決了職責分配的問題，提高挖礦效率。此外，礦池還解決了礦工收入不穩定的問題。大量礦工組織在一起挖礦，產生收益后一起參與收益分配，使得收入的穩定性得到了提升。那么這個時候利益該如何分配呢？在比特幣系統中，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礦工挖到礦的概率是隨機的，每個礦工挖到礦的概率取決于他所嘗試的隨機數的數目，他嘗試的隨機數越多，也就意味著他所能挖到礦的概率也就越高。

三、工作量證明機制下的激勵機制對區塊鏈系統的威脅

區塊鏈激勵機制的實現建立在工作量證明的基礎之上。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，其出現對比特幣和區塊鏈去中心化趨勢產生了潛在的威脅，使得51%的攻擊成為了可能。假如沒有礦池，如果想要發動51%的攻擊，攻擊者要投入大量的硬件成本來購買到足夠的礦機來達到系統中半數以上的算力。而產生礦池之后，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算力發動攻擊，對區塊鏈運行系統構成了威脅，主要表現為：

一是分叉攻擊，假設甲擁有51%的算力，甲和乙之間存在一個大額的轉賬交易，甲轉賬給乙。等到六個區塊確認之后，甲發動分叉攻擊把錢轉給自己，憑借51%的算力讓包含甲轉賬給甲自己的這條鏈成為最長合法鏈。在這一過程中，礦池里的礦工并不知道自己幫助甲完成了一次分叉攻擊，因為每個礦工只負責計算哈希值。另外，51%的算力并不是一個絕對的閾值，達到51%就發動攻擊，沒達到就不發動攻擊，而且我們對每一個礦池所占算力的比重也只是一個估計的數值而已，算力也是在不斷發生變化的。

二是抵制交易。假設甲想要全網抵制與乙有關的所有交易，所有與乙有關的交易都不能被包含在區塊鏈中。一旦這個區塊中有乙的存在，甲就會憑借自身51%的算力，立馬分叉產生出一個不包含乙的區塊。由于甲占有半數以上的算力，可以在較短時間內快速延長這個鏈條，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行打包，因為一旦打包就會分叉，擾亂其正常的挖礦工作。因此，面對這些問題，我們不免會對基于工作量的分配制度產生質疑。

四、以工作量為基礎的收益分配制度的科學思維特征

雖然工作量證明共識機制存在以上問題，給區塊鏈系統的安全性提出了挑戰，但是以工作量為基礎的收益分配制度也具有其合理性。當前，面對著多種多樣的場景，共識機制的設計也多種多樣，然而共識機制的本質始終相同，即消耗資源以換取信任。因此，共識機制的評判標準可以總結為：消耗多少資源，換取多少節點的信任，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，即資源消耗問題、節點擴展性問題、安全性問題、效率問題以及開放性問題。[2]

（一）工作量證明機制的優勢

區塊鏈的重要特征之一就是去中心化——區塊鏈網絡中的任何中央機構、中介或參與者都不得擁有過多的權力。隨著區塊鏈技術的不斷發展，以及工作量證明機制自身存在的固有缺陷把我們指向其他可替代的共識機制，如，權益證明機制等。而權益證明機制的設計理念就是，不需要用專用的硬件來達成共識，使用挖礦設備的任何人員都能憑借其持有的比特幣數量及幣齡參與到爭奪記賬權的共識過程當中。這樣一來就似乎可以應對工作量證明機制下算力過于集中的缺陷。以下對二者進行了對比：

工作量證明機制（PoW）：該機制在當前的應用較為普遍，理論上每個人都可以使用自己的計算機參與計算獲得挖礦的機會，因此擁有更多算力的機器則擁有更大機會找到哈希值，獲得獎勵，即算力決定出塊的概率。但在該共識機制下，挖礦的出塊時間較慢，效率低，同時也會耗費大量資源。而大型礦池的出現給區塊鏈系統的安全帶來了一定的威脅。

權益證明機制（PoS）：該共識機制根據每個節點所擁有比特幣的數量和時間，等比例地降低挖礦難度，從而加快找到隨機數的速度。這也就說明，在這一機制下，礦工所擁有的比特幣數量越多且持有比特幣的時間越長，成功挖到礦的概率也就越高。這樣一來，大大減少了達成共識的時間，更加高效，同時權益證明機制所耗費的資源較少。但是，在這種情況下，權益比較容易集中在少數人的手里，以至形成壟斷的狀況，從而給區塊鏈的安全性帶來了問題。

因此，可以看出權益證明機制雖然效率較高，不存在算力過于集中的問題，但是仍然存在權益的壟斷的問題威脅區塊鏈系統的安全。

（二）從比特幣系統的價值本質來看工作量證明機制的安全性

比特幣作為一種虛擬貨幣之所以有價值歸根結底在于信任，而人們對比特幣的信任，是對其背后的區塊鏈系統的信任，是對該系統安全性的信任。雖然早前有人稱不解決51%的攻擊的問題，區塊鏈的安全性就無法得到保障。但是實現51%的攻擊不僅意味著攻擊者要耗費巨大的人力、物力和財力，同時也意味著區塊鏈安全性的崩潰。假設擁有60%哈希算力的攻擊者成功發動攻擊，本進攻會導致比特幣的基于信任建立起來的價值體系崩潰，從而導致攻擊所獲得的比特幣毫無價值。

從歷史經驗上看，自2009年起，工作量證明機制就開始應用于比特幣系統中，雖然目前出現了一些針對區塊鏈的黑客攻擊和漏洞襲擊，但是在區塊鏈創建至今的這些年間，仍然沒有人能夠通過工作量證明機制的這些缺陷來破壞區塊鏈的運行秩序，這也足以證明算力集中對區塊鏈的威脅理論上很可能實現，但是在實際情況下對系統攻擊的成功的可能性確實極低的，這也就說明工作量證明機制的安全性和可靠性足以保障區塊鏈系統的良好運行。

參考文獻

[1]袁勇，王飛躍.區塊鏈技術發展現狀與展望[J].自動化學報，2016，42（04）：481-494.

[2]王李笑陽，秦波，喬鑫.區塊鏈共識機制發展與安全性[J].中興通訊技術，2018，24（06）：8-12+40.

[3]韓璇，袁勇，王飛躍.區塊鏈安全問題：研究現狀與展望[J].自動化學報，2019，45（01）：206-225.

作者：

朱薇（1997-） 性別：女 民族：漢族 籍貫：湖北鐘祥 研究領域：區塊鏈技術與疾病傳播溯源