工作量证明机制下区块链激励机制的科学合理性探析

摘要：区块链的共识过程本质上是通过将大规模的共识节点的算力汇集起来，从而实现共享区块链账本的数据验证和记账工作。在这个过程中各个节点的收益是其参与数据验证和记账工作的根本目标。因此，必须设计相应的激励机制，使得各个节点追求自身利益目标的行为与保证整个去中心化区块链系统的安全性和有效性的整体目标相符合。比特币是基于区块链的应用技术发展而来的数字货币，文章以比特币为载体介绍了其激励机制的实现形式，同时揭示出作为挖矿收益分配原则的工作量证明机制其背后的隐患以及采用该机制的科学合理性。

关键词：区块链;激励机制;工作量证明;挖矿

一、引言

区块链本质上是一种去中心化的数据库，通过运用不对称加密算法、时间戳、共识机制和激励机制使各个陌生节点之间的信任得以保证。激励机制是区块链系统对获取记账权的节点诚实劳动的一种奖励方式，如在比特币系统中，对取得记账权的矿工，以交易的手续费作为其诚实劳动的奖励，这也正是激励机制存在的重要意义。

由于区块链中争夺记账权的节点众多且每个节点自身的逐利性，为了实现自身利益的最大化以及收益的稳定性，势必会导致各个节点加入到矿池中参与挖矿。这样一来，由于算力的过于集中，对区块链系统的去中心化造成了威胁，一些恶意节点可能会聚集算力对整个区块链系统发动攻击，威胁到区块链系统的安全性。

本文从激励机制的实现形式出发，揭示了挖矿奖励激励的分配标准——工作量证明，并进一步指出，在这一标准的推动下必然会导致矿池的泛滥从而造成算力集中，进而对区块链系统造成威胁。但是，即便如此工作量证明机制仍然凭借其所依赖的哈希算法的安全性，保障着整个系统的安全有效。

二、区块链激励机制

在区块链的六层架构模型中，激励层属于其中的重要一层，主要协调的是个体利益最大化与整个系统安全有效之间的矛盾。那么如何设计激励机制才能调和二者间的矛盾成为了区块链持续健康发展的重要内容。

（一）交易手续费激励

从发行机制上看，比特币的经济激励主要由新发行的比特币奖励和交易流通过程中的手续费两部分组成。所以，各个节点为了保障其所获得的出块奖励和交易手续费的价值，自愿参与构建共享和可信的区块链历史记录，共同维护比特币系统的有效性。

在比特币系统中，随着时间的推移，每个区块发行比特币的数量是逐渐递减的，从起初的创世区块起每个区块发行高达50个比特币的奖励给该区块的记账者，随后每隔四年每个区块发行比特币的数量降低一半。直到比特币的数量稳定在2100万为止。[1]虽然在比特币交易的过程中会产生手续费，并且这部分的交易费用也会奖励给区块的记账者，但是随着比特币发行数量的逐步减少直至最终停止发行比特币，各个节点从争夺记账权上能够得到的收益会越来越少。直到当出块奖励趋近于零时，整个区块链系统将依赖于交易手续费运行，而此时交易费则会成为比特币系统健康运行的重要保障。节点的收益则主要来源于系统中交易的手续费。此时，手续费成为了保障区块链系统安全有效的重要推手，实现了节点利益与系统安全的有效协调。

（二）挖矿奖励激励

随着区块链系统的不断发展，比特币已经形成了較为成熟的挖矿生态圈，大量配备专业矿机设备的矿工积极参与到挖矿的PoW共识过程来获得比特币，实现盈利目标。挖矿就是利用比特币挖矿机来赚取比特币，挖矿的一个重要趋势表现为大型矿池的出现，单个矿工挖矿从平均收益上看是有利可图的，但是收入是非常不稳定的。而且单个矿工除了挖矿之外，还得维护区块链的完整信息，检验交易的正确性、合法性。这就使得矿工挖矿成功的难度进一步提升，因此加入矿池成为了矿工维持收益稳定性的一个选择。

所谓的矿池，就是把矿工组织起来作为一个整体来进行挖矿工作。矿池的架构一般来说是一个全节点驱动很多矿机，一个矿池有一个矿主，下面连着很多的矿工。在矿池中，矿工只负责计算哈希值，当那么矿主则负责监听网上的交易，并把这些交易进行打包，组织成一个候选区块，同时关注其他矿工发布区块的情况。这样一来便解决了职责分配的问题，提高挖矿效率。此外，矿池还解决了矿工收入不稳定的问题。大量矿工组织在一起挖矿，产生收益后一起参与收益分配，使得收入的稳定性得到了提升。那么这个时候利益该如何分配呢？在比特币系统中，矿工工作量的多少成为矿池收益分配的原则。这一分配方法的合理性在于每个矿工挖到矿的概率是随机的，每个矿工挖到矿的概率取决于他所尝试的随机数的数目，他尝试的随机数越多，也就意味着他所能挖到矿的概率也就越高。

三、工作量证明机制下的激励机制对区块链系统的威胁

区块链激励机制的实现建立在工作量证明的基础之上。较高的算力意味着挖矿成功的概率较高，但是并不是算力越高越好。矿池作为算力集中的表现，其出现对比特币和区块链去中心化趋势产生了潜在的威胁，使得51%的攻击成为了可能。假如没有矿池，如果想要发动51%的攻击，攻击者要投入大量的硬件成本来购买到足够的矿机来达到系统中半数以上的算力。而产生矿池之后，矿主自身可能只有很少的算力，只要能够吸引到足够多的不明真相的矿工加入该矿池就能够集结算力发动攻击，对区块链运行系统构成了威胁，主要表现为：

一是分叉攻击，假设甲拥有51%的算力，甲和乙之间存在一个大额的转账交易，甲转账给乙。等到六个区块确认之后，甲发动分叉攻击把钱转给自己，凭借51%的算力让包含甲转账给甲自己的这条链成为最长合法链。在这一过程中，矿池里的矿工并不知道自己帮助甲完成了一次分叉攻击，因为每个矿工只负责计算哈希值。另外，51%的算力并不是一个绝对的阈值，达到51%就发动攻击，没达到就不发动攻击，而且我们对每一个矿池所占算力的比重也只是一个估计的数值而已，算力也是在不断发生变化的。

二是抵制交易。假设甲想要全网抵制与乙有关的所有交易，所有与乙有关的交易都不能被包含在区块链中。一旦这个区块中有乙的存在，甲就会凭借自身51%的算力，立马分叉产生出一个不包含乙的区块。由于甲占有半数以上的算力，可以在较短时间内快速延长这个链条，其目的是为了让其他矿工沿着该分叉往下挖。而其他矿工也不敢将包含乙的交易进行打包，因为一旦打包就会分叉，扰乱其正常的挖矿工作。因此，面对这些问题，我们不免会对基于工作量的分配制度产生质疑。

四、以工作量为基础的收益分配制度的科学思维特征

虽然工作量证明共识机制存在以上问题，给区块链系统的安全性提出了挑战，但是以工作量为基础的收益分配制度也具有其合理性。当前，面对着多种多样的场景，共识机制的设计也多种多样，然而共识机制的本质始终相同，即消耗资源以换取信任。因此，共识机制的评判标准可以总结为：消耗多少资源，换取多少节点的信任，换取信任的程度，换取信任的速度，换取信任是否需要前提条件，即资源消耗问题、节点扩展性问题、安全性问题、效率问题以及开放性问题。[2]

（一）工作量证明机制的优势

区块链的重要特征之一就是去中心化——区块链网络中的任何中央机构、中介或参与者都不得拥有过多的权力。随着区块链技术的不断发展，以及工作量证明机制自身存在的固有缺陷把我们指向其他可替代的共识机制，如，权益证明机制等。而权益证明机制的设计理念就是，不需要用专用的硬件来达成共识，使用挖矿设备的任何人员都能凭借其持有的比特币数量及币龄参与到争夺记账权的共识过程当中。这样一来就似乎可以应对工作量证明机制下算力过于集中的缺陷。以下对二者进行了对比：

工作量证明机制（PoW）：该机制在当前的应用较为普遍，理論上每个人都可以使用自己的计算机参与计算获得挖矿的机会，因此拥有更多算力的机器则拥有更大机会找到哈希值，获得奖励，即算力决定出块的概率。但在该共识机制下，挖矿的出块时间较慢，效率低，同时也会耗费大量资源。而大型矿池的出现给区块链系统的安全带来了一定的威胁。

权益证明机制（PoS）：该共识机制根据每个节点所拥有比特币的数量和时间，等比例地降低挖矿难度，从而加快找到随机数的速度。这也就说明，在这一机制下，矿工所拥有的比特币数量越多且持有比特币的时间越长，成功挖到矿的概率也就越高。这样一来，大大减少了达成共识的时间，更加高效，同时权益证明机制所耗费的资源较少。但是，在这种情况下，权益比较容易集中在少数人的手里，以至形成垄断的状况，从而给区块链的安全性带来了问题。

因此，可以看出权益证明机制虽然效率较高，不存在算力过于集中的问题，但是仍然存在权益的垄断的问题威胁区块链系统的安全。

（二）从比特币系统的价值本质来看工作量证明机制的安全性

比特币作为一种虚拟货币之所以有价值归根结底在于信任，而人们对比特币的信任，是对其背后的区块链系统的信任，是对该系统安全性的信任。虽然早前有人称不解决51%的攻击的问题，区块链的安全性就无法得到保障。但是实现51%的攻击不仅意味着攻击者要耗费巨大的人力、物力和财力，同时也意味着区块链安全性的崩溃。假设拥有60%哈希算力的攻击者成功发动攻击，本进攻会导致比特币的基于信任建立起来的价值体系崩溃，从而导致攻击所获得的比特币毫无价值。

从历史经验上看，自2009年起，工作量证明机制就开始应用于比特币系统中，虽然目前出现了一些针对区块链的黑客攻击和漏洞袭击，但是在区块链创建至今的这些年间，仍然没有人能够通过工作量证明机制的这些缺陷来破坏区块链的运行秩序，这也足以证明算力集中对区块链的威胁理论上很可能实现，但是在实际情况下对系统攻击的成功的可能性确实极低的，这也就说明工作量证明机制的安全性和可靠性足以保障区块链系统的良好运行。

参考文献

[1]袁勇，王飞跃.区块链技术发展现状与展望[J].自动化学报，2016，42（04）：481-494.

[2]王李笑阳，秦波，乔鑫.区块链共识机制发展与安全性[J].中兴通讯技术，2018，24（06）：8-12+40.

[3]韩璇，袁勇，王飞跃.区块链安全问题：研究现状与展望[J].自动化学报，2019，45（01）：206-225.

作者：

朱薇（1997-） 性别：女 民族：汉族 籍贯：湖北钟祥 研究领域：区块链技术与疾病传播溯源