如何分析比特幣的安全性

如果應(yīng)用程序或協(xié)議在敵對(duì)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了它的目標(biāo)，包括對(duì)抗那些愿意花費(fèi)大量資源來(lái)破壞系統(tǒng)的參與者，那么我們就稱其為「安全的」。遺憾的是，沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)能夠抵御無(wú)所不能的攻擊者。因此，對(duì)待安全，一個(gè)實(shí)用的態(tài)度是最大限度地激勵(lì)人們按照協(xié)議行事，同時(shí)盡可能減少違反協(xié)議的動(dòng)機(jī)。

從這個(gè)角度，不妨看看比特幣網(wǎng)絡(luò)是否是「安全的」：

比特幣的目標(biāo)是建立這樣一種支付系統(tǒng)

· 任何人都可以參加（免許可訪問(wèn)），

· 只有合法持有者才能消費(fèi)代幣（安全性），以及

· 所有有效的交易最終都會(huì)進(jìn)入分類賬（活躍度）。

人們持有比特幣資產(chǎn)目前已超過(guò) 10 年，這表明比特幣在實(shí)踐中是安全的。但另一方面，在學(xué)術(shù)界和理論界，一直未能在學(xué)術(shù)研究的模型中重現(xiàn)比特幣這種安全的特性，學(xué)者們斥之為「錯(cuò)漏百出」、「難逃一死」等，這也導(dǎo)致了「比特幣在實(shí)踐中安全，在學(xué)術(shù)中不安全」的一種「meme」。

好在獨(dú)立加密貨幣研究者 Hasu、Summa 創(chuàng)始人 James Prestwich 和 Radar 研究總監(jiān) Brandon Curtis 最近發(fā)表了一篇論文，希望改變這一現(xiàn)狀。

這三位作者在這篇論文中，通過(guò)介紹比特幣安全模型，來(lái)彌補(bǔ)理論和實(shí)踐之間的差距。該論文證明，比特幣目前能夠容忍非常高的攻擊動(dòng)機(jī)，而這是由數(shù)量少得驚人的因素所決定的。

該論文進(jìn)一步說(shuō)明了，為什么學(xué)者們提出的許多攻擊，對(duì)礦工來(lái)說(shuō)并不合理、并不合算。

在論文的第二部分中，三位作者還證明了，比特幣安全的最大威脅根植于協(xié)議本身，而不是任何外部攻擊者。

這個(gè)問(wèn)題就是區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)減少帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)：作為比特幣固定發(fā)行計(jì)劃的一部分，區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃將會(huì)如期減少，一種普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，這將降低礦工的可預(yù)測(cè)收入，從而降低礦工對(duì)維持比特幣網(wǎng)絡(luò)安全性的承諾。該論文解釋了，如果一個(gè)穩(wěn)健的區(qū)塊空間市場(chǎng)沒(méi)有發(fā)展起來(lái)，區(qū)塊回報(bào)的下降緣何將給未來(lái)帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。論文與普遍的看法相反，認(rèn)為用戶不能通過(guò)簡(jiǎn)單地等待更多的確認(rèn)數(shù)來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)問(wèn)題。

最后，該論文還提出了幾個(gè)可能的改進(jìn)建議。

以下為該論文的一些核心內(nèi)容：

1. 比特幣為什么需要挖礦？

在比特幣系統(tǒng)中，已經(jīng)使用了公鑰加密技術(shù)來(lái)對(duì)消息所有權(quán)進(jìn)行證明和驗(yàn)證。其中，一個(gè)代幣的所有者可以用其私鑰簽名一條消息。然后，網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)可使用發(fā)件人的哈希公鑰來(lái)驗(yàn)證該消息是否有效，這滿足了比特幣系統(tǒng)中的「安全性」要求。

但是，有時(shí)候出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)會(huì)收到兩條消息，它們單獨(dú)都是有效的，但又不可能同時(shí)有效（比如雙花攻擊），在這種情況下公鑰加密完全不起作用了。

比特幣如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？它用一組算力簽名來(lái)代替單個(gè)可信的服務(wù)器簽名，節(jié)點(diǎn)可據(jù)此在單條鏈上進(jìn)行協(xié)調(diào)。生成這些簽名的成本很高，且成本很容易被驗(yàn)證，因此高度可信。因此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)從礦工那里收到兩個(gè)相互沖突的簽名時(shí)，會(huì)選擇成本更高的那個(gè)，這個(gè)分叉選擇規(guī)則（fork choice rule）就是「中本聰共識(shí)」。

將動(dòng)態(tài)成員多方簽名 （DMMS） 用于比特幣挖礦的想法最早由 Adam Back 和 Matt Corallo 等人提出。DMMS 是由變量和一組匿名簽名者組成的簽名，這些簽名者可以隨時(shí)進(jìn)入和離開(kāi)。他們?cè)诒忍貛啪W(wǎng)絡(luò)算力份額代表了它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中簽名權(quán)重。這些簽名是累積性的，因?yàn)槊總€(gè)區(qū)塊都引用前一個(gè)區(qū)塊，最終創(chuàng)建一條區(qū)塊鏈。

雖然礦工在構(gòu)建自己的區(qū)塊方面有一定自由度，但他們不能給自己分發(fā)更多代幣，不能在同一鏈上偷別人的代幣，也無(wú)法篡改區(qū)塊發(fā)生的順序。和其他節(jié)點(diǎn)一樣，礦工必須像其他任何節(jié)點(diǎn)一樣遵循比特幣協(xié)議，并且節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)拒絕任何破壞協(xié)議的嘗試。

但是，作為一種密碼技術(shù)，該協(xié)議的局限性在于，不能覆蓋所有方面，在一些重要方面協(xié)議無(wú)法強(qiáng)制執(zhí)行，比如，一個(gè)節(jié)點(diǎn)本身并不知道兩個(gè)沖突的交易中哪個(gè)才是有效的，或者兩條競(jìng)爭(zhēng)鏈中哪條更受歡迎。因此，用戶依賴于分叉選擇規(guī)則在單個(gè)鏈上進(jìn)行協(xié)調(diào)。雖然該規(guī)則是比特幣保持共識(shí)所必需的，但它也賦予礦工相當(dāng)大的權(quán)力，而該權(quán)力不受協(xié)議本身的約束（且不可調(diào)控?。?/p>

其中最出名的激勵(lì)失?。╥ncentive failure）就是雙花攻擊。這種情況是指，多數(shù)礦工首先在原鏈上使用 BTC 購(gòu)買非 BTC 的產(chǎn)品或服務(wù)，一旦他獲得了不可退回的貨物或服務(wù)交付，他可以產(chǎn)生了一條更長(zhǎng)的鏈條，而該交易從未發(fā)生過(guò)，因此同時(shí)獲得了錢和商品。節(jié)點(diǎn)遵循成本更高的簽名，會(huì)自動(dòng)切換到新鏈，即使其中包含鏈下盜竊或其他惡意行為。

由此可見(jiàn)，諸如加密簽名之類的「硬」協(xié)議規(guī)則不能完全確保交易順序的安全，它也依賴于由礦工發(fā)布更新的用于服務(wù)比特幣用戶的「軟」經(jīng)濟(jì)動(dòng)機(jī)。

2. 為比特幣的安全性建立模型

對(duì)于礦工來(lái)說(shuō)，只有在無(wú)利可圖的情況下才有動(dòng)機(jī)不撤銷交易，從而為此交易生成最終確認(rèn)性?？傆腥藭?huì)問(wèn)，到底需要多少個(gè)確認(rèn)才能保證支付的最終性？

Hasu、James Prestwich 和 Brandon Curtis 三人為比特幣的安全性建立了一個(gè)模型，他們的安全模型得出的結(jié)論是：比特幣的安全性和確認(rèn)數(shù)目沒(méi)有關(guān)系，安全只和 2 個(gè)因素有關(guān)。

2.1 安全假設(shè)

在該模型建立的基本支付系統(tǒng)假設(shè)中，區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)為 12.5 BTC，交易費(fèi)為 0。挖礦所需的所有硬件和哈希算力都可按需租用，因此礦工對(duì)比特幣網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有長(zhǎng)期的承諾。礦工的行為不會(huì)影響 BTC 的交易價(jià)，用戶也不會(huì)違反中本聰共識(shí)。

在論文中，把通過(guò)這種「誠(chéng)實(shí)挖礦」（honest mining） 行為所獲價(jià)值定義 EV （誠(chéng)實(shí)挖礦），那么，10 個(gè)區(qū)塊間隔中， 礦工收入 MR（miner revenue） 就是 125 個(gè) BTC。

假設(shè)礦工可自由加入網(wǎng)絡(luò)挖礦，并且礦工之間存在完美競(jìng)爭(zhēng)，那么可以預(yù)期，獲得該獎(jiǎng)勵(lì)的挖礦成本（MC： mining cost）是 125 個(gè) BTC，由此得出：

等式 1： 挖礦收入 （MR） - 挖礦成本 （MC） = 0

等式 2:EV（誠(chéng)實(shí)挖礦） = MR - MC

因此，EV （誠(chéng)實(shí)挖礦的所獲的價(jià)值） 的基準(zhǔn)為 0 BTC。

礦工希望從攻擊活動(dòng)中攫取的比特幣價(jià)值則被定義為 MEV （Miner-extractable value），指礦工通過(guò)操縱共識(shí)或交易訂單所攫取的其他價(jià)值。然后，可將攻擊挖礦的最終 EV（例如雙花）建模為：

等式 3：EV（攻擊挖礦）=MEV+MR-MC

只要一直保持 EV（誠(chéng)實(shí)挖礦） 》EV（攻擊挖礦），那么，一個(gè)理性的礦工就會(huì)遵守協(xié)議，而不是進(jìn)行攻擊。因此可得出，為了保證比特幣的安全性，就必須讓 EV（誠(chéng)實(shí)挖礦） 》 EV（攻擊挖礦） 。

假設(shè)一名礦工從一次 10 區(qū)塊間隔中攫取的 MEV 為 100，那么可以得出：

案例 1:EV （攻擊挖礦）= MEV + MR - MC=100+10-10=100；

由于 100》0，那么可以推出此時(shí)比特幣是不安全的。

這一發(fā)現(xiàn)符合直覺(jué)，因?yàn)楸敬喂魠^(qū)塊鏈對(duì)攻擊者而言并沒(méi)有實(shí)際代價(jià)，只需 10 個(gè) BTC 的預(yù)算，攻擊成功后，該成本可被獎(jiǎng)勵(lì)抵消。

這里有 3 個(gè)值得注意的警告：

1）一旦攻擊者撤銷自己生成的某些區(qū)塊，則攻擊開(kāi)始產(chǎn)生實(shí)際成本，因?yàn)樗挠行诘V收入 MR （攻擊挖礦）下降，而 MC 保持不變。

2）如果少數(shù)防御礦工繼續(xù)開(kāi)采原始鏈，則會(huì)增加攻擊的持續(xù)時(shí)間。但是，只要攻擊者最終能超過(guò)原始鏈，這不會(huì)降低他的 EV （攻擊挖礦），而只會(huì)提高其預(yù)算，而企圖防御的捍衛(wèi)者的資源被浪費(fèi)。

3）在此模型中，我們假設(shè)，攻擊者擁有大量哈希算力或幾個(gè)較小攻擊者進(jìn)行聯(lián)合攻擊，攻擊者之間的協(xié)調(diào)是沒(méi)有成本的。但在現(xiàn)實(shí)世界中，如果各位礦工在 MEV 值或攻擊持續(xù)時(shí)間上有分歧，可能會(huì)增加協(xié)調(diào)的成本。

2.2 市場(chǎng)治理

俗話說(shuō)，消費(fèi)可以說(shuō)是一種投票，它是指經(jīng)濟(jì)參與者通過(guò)消費(fèi)進(jìn)行投票。在區(qū)塊鏈?zhǔn)袌?chǎng)中，用戶（消費(fèi)者）買賣 BTC 的行為，對(duì)于礦工（生產(chǎn)者或服務(wù)提供商）來(lái)說(shuō)也是一種投票。一旦用戶對(duì)礦工提供的服務(wù)不滿意，對(duì)支付系統(tǒng)的信心可能會(huì)下降，如果礦工安全服務(wù)不到位讓系統(tǒng)遭到攻擊，就會(huì)引起消費(fèi)者不滿意，從而導(dǎo)致 BTC 交易價(jià)格下跌。

該論文將遭到攻擊后比特幣的美元價(jià)格表示為 p （攻擊后價(jià)值，postAttackPrice），postAttackPrice=95％意思是「攻擊導(dǎo)致比特幣價(jià)格下跌了 5％」。

等式 4:EV （攻擊挖礦）= p （攻擊后的價(jià)值 postAttackPrice） x （MEV +MR）-MC

在更新后的公式中，由于攻擊導(dǎo)致 BTC 價(jià)格下跌，MR （區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)+費(fèi)用）和 MEV 的價(jià)值都變小了，而挖礦成本（MC）保持不變。這很好推理，攻擊后，BTC 數(shù)目雖然沒(méi)有虧損，但是損失了 5％的購(gòu)買力，價(jià)值只相當(dāng)于攻擊前的 95％。

由于引入了市場(chǎng)治理，因此只要 MR （誠(chéng)實(shí)挖礦）大于 p （postAttackPrice）*（MEV + MR （攻擊挖礦）），那么我們可以說(shuō)，EV （攻擊挖礦）是無(wú)利可圖的，可表示為：

等式 5:If MR》p （postAttackPrice）*（MEV +MR），EV （攻擊挖礦）《0，

由此，我們可以得出保持系統(tǒng)安全的 3 種方式：

1） MEV 保持足夠低，例如，因?yàn)楹苌儆腥耸褂帽忍貛胚M(jìn)行交易，或者用戶在沒(méi)有其他保證（例如知道買家的身份）的情況下不會(huì)考慮最終付款。

2） p （postAttackPrice）很低，這意味著，用戶對(duì)比特幣的用途非常敏感，一旦礦工無(wú)法履行自己職責(zé)，這些用戶馬上就會(huì)轉(zhuǎn)到其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手上。如果 BTC 的價(jià)格易于崩潰，那么，其他形式的攻擊 （比如 sabotage 攻擊） 就會(huì)變得更具吸引力，從而增加 MEV。

3） MR 值足夠高，這樣的話， p （postAttackPrice）對(duì) MR 的影響，開(kāi)始超過(guò)從 MEV 的潛在收益。

2.3 礦工的長(zhǎng)期承諾

之前的這些假設(shè)，都屬于「不切實(shí)際的假設(shè)」，即可按需租用挖礦所需所有資源（該觀點(diǎn)主導(dǎo)了比特幣安全性的學(xué)術(shù)評(píng)論）。實(shí)際上，現(xiàn)實(shí)中的挖礦行為并非如此。在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，如果某一名礦工在同等預(yù)算成本下增加了可獲得的收入，那么其他礦工就必須跟上步伐，要不然就會(huì)有收入減少的風(fēng)險(xiǎn)。

挖礦幾乎沒(méi)有一直存在的護(hù)城河。結(jié)果就是，挖礦產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化速度可能超過(guò)歷史上任何其他行業(yè)。

隨著挖礦業(yè)工業(yè)化程度越來(lái)越高，創(chuàng)建區(qū)塊的單位成本變得越來(lái)越重要。實(shí)際中，有幾種降低業(yè)務(wù)中單位成本的方法：

1）如果生產(chǎn)設(shè)施產(chǎn)能不足，則企業(yè)可出售更多產(chǎn)品，將日常開(kāi)銷平均分?jǐn)傇诟嗌唐飞稀Ｔ谕诘V行業(yè)中，每個(gè)哈希值都有一個(gè)以比特幣網(wǎng)絡(luò)形式的自動(dòng)購(gòu)買者，因此，在這一點(diǎn)上沒(méi)有優(yōu)化的空間。

2）該業(yè)務(wù)可以減少生產(chǎn)的日常材料成本。具體到挖礦中，其目標(biāo)是不斷尋找更便宜的能源，更好地散熱或冷卻以及制造優(yōu)化。

3）企業(yè)可以通過(guò)使其生產(chǎn)設(shè)施專業(yè)化來(lái)降低成本。在挖比特幣中，這意味著只針對(duì) SHA-256 哈希算法優(yōu)化的專業(yè)硬件，一旦該硬件設(shè)備不能挖比特幣，就一文不值了。值得注意的是，這甚至適用于以太坊等大型 GPU 挖掘網(wǎng)絡(luò)。雖然可用通用硬件挖以太坊代幣，但對(duì) GPU 的需求卻不足以使供應(yīng)突然達(dá)到飽和的狀態(tài)。因此，一旦以太坊的價(jià)格崩潰，以太坊的礦工承諾也將失去大部分的價(jià)值。

4） 礦工還可通過(guò)簽訂長(zhǎng)期購(gòu)電協(xié)議（PPA）來(lái)降低單位的能源成本。

因此，為了降低單位成本，保持挖礦競(jìng)爭(zhēng)力，一個(gè)理性礦工需要高度專業(yè)化的硬件，并致力于該網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。礦工專業(yè)化程度越高，其資產(chǎn)和支出的不可回收性就越大。從等式 1 中，可得知 MR + MC =0。這意味著，可用挖礦總收入（也就是區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)總和）填補(bǔ)挖礦成本。

那么，一個(gè)礦工必須預(yù)先承擔(dān)多少費(fèi)用呢？在與比特幣礦工和專家交談之后，該論文的作者得出了一個(gè)粗略估計(jì)，即普通礦工、乃至整個(gè)挖礦業(yè)，不可回收的成本約占總成本的 50％，此外，這些資產(chǎn)會(huì)平均在 24 個(gè)月內(nèi)貶值。

據(jù)此推算，如果預(yù)期挖掘兩年的比特幣，那么整個(gè)挖礦行業(yè)須將整整一年（兩年* 50％）的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)作為長(zhǎng)期承諾成本。

以一個(gè)區(qū)塊 12.5 枚 BTC 來(lái)計(jì)算，一年就是 658，800 枚 BTC。換句話說(shuō)，2 年的合理的挖礦單位成本是 658，800 枚 BTC，或 105，408 枚區(qū)塊。

這項(xiàng)承諾成本取決于，未來(lái)兩年內(nèi)挖礦市場(chǎng)（包括能源和硬件生產(chǎn)商）對(duì)比特幣的價(jià)格預(yù)期。如果他們期望比特幣生存和繁榮，他們可能會(huì)假設(shè)比特幣的平均價(jià)格等于或高于當(dāng)下的比特幣價(jià)格。如果比特幣的價(jià)格在折舊階段（2 年內(nèi)）下跌，礦工可能會(huì)為此付出巨大的損失。

因此可以說(shuō)，礦工堅(jiān)定地致力于實(shí)現(xiàn)最大化 BTC 價(jià)值和網(wǎng)絡(luò)效用的方式挖比特幣。由此得出：

等式 6:EV （攻擊挖礦）= p （攻擊后的價(jià)值 postAttackPrice） x（MEV +MR）-MC-（1- p）*Commitment

在非租用算力的情況下，礦工挖掘比特幣會(huì)有承諾成本，一旦因?yàn)楣魧?dǎo)致價(jià)格下跌，將影響全年的收入。

值得注意的是，攻擊者無(wú)需擁有 100％的哈希算力才能攻擊成功。如果他用 60％的哈希算力進(jìn)行攻擊，那么他自己的承諾將僅占總承諾的 60％，即 395，280 BTC。

案例 2:EV （用 60% 哈希算力進(jìn)行攻擊挖礦） = 95%（5BTC+8*12.5BTC）-（8X12.5 BTC）-5%*395280 BTC=-19.764 BTC

一個(gè)占有 60% 哈希算力的攻擊者，想通過(guò)挖礦攻擊獲利，MEV 值約為?21，000 BTC，即 1.87 億美元，對(duì) MEV 高容忍度表明，目前比特幣網(wǎng)絡(luò)確實(shí)是安全的。

這些發(fā)現(xiàn)可以推廣到使用 PoW 的所有加密貨幣。這也說(shuō)明了，投入成本的不可回收性對(duì)于對(duì)于安全性有極其重要的意義。

2.4 終止中本聰共識(shí)

至此已經(jīng)證明，比特幣網(wǎng)絡(luò)對(duì) MEV 的高容忍度，大大提高了攻擊獲利的成本。但是，為了完善該比特幣安全模型，該論文的作者還更新了最后一個(gè)假設(shè)：即比特幣用戶永遠(yuǎn)不會(huì)質(zhì)疑中本聰共識(shí)。

市場(chǎng)上用戶需要尋求最小信任化的信號(hào)，該信號(hào)允許用戶在單條鏈上進(jìn)行協(xié)調(diào)。用戶愿意為這些信號(hào)花錢，是因?yàn)樗亲畋阋说膮f(xié)調(diào)方式。但是，這意味著，如果大多數(shù)用戶對(duì)此不滿意，用戶也不一定會(huì)遵循礦工發(fā)出的信號(hào)。在比特幣的歷史中多個(gè)先例證明了用戶有可能忽略中本聰共識(shí)，因?yàn)樯傻逆湶辉俅硭麄兯炇鸬纳鐣?huì)契約。

多個(gè)案例表明，如果在治理決策上產(chǎn)生分歧，用戶可以運(yùn)行自定義代碼命令（比如 invalidateblock ）來(lái)暫停中本聰共識(shí)，剝奪礦工的權(quán)力。

因此，在實(shí)際攻擊時(shí)，攻擊者還需考慮用戶暫停共識(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。

在此，該論文用 p（followNC） 來(lái)定義用戶通過(guò)鏈下協(xié)調(diào)中止中本聰共識(shí)的概率，這會(huì)使攻擊者的潛在回報(bào)降低，同時(shí)攻擊成本保持不變。

由此推出：

等式 7 ：EV （攻擊挖礦） = p（followNC）*p （攻擊后的價(jià)值 postAttackPrice） x（MEV +MR）-MC-（1- p）*Commitment

因?yàn)楣羝陂g內(nèi)它僅影響 MR 和 MEV，而不會(huì)影響礦工承諾，與市場(chǎng)治理相比，NC 暫停給安全帶來(lái)的影響更少。

但是，從理論上講，用戶不僅可以更改交易歷史記錄，還可以更改核心協(xié)議規(guī)則。如果他們將挖礦算法從 SHA256 更改為其他算法，即使比特幣價(jià)格不會(huì)跌到零，但用戶也可能立即使整個(gè)礦工的承諾變得完全無(wú)效。這使得這種社會(huì)干預(yù)（social intervention ）也成為一種有效防御攻擊比特幣價(jià)格或網(wǎng)絡(luò)攻擊的方法。

2.5 總結(jié)

一些核心發(fā)現(xiàn)：

1）為了保障高度安全性，在用戶考慮最終確認(rèn)性的期間內(nèi)，誠(chéng)實(shí)挖礦的價(jià)值必須要高于攻擊挖礦的價(jià)值。

2） 如果用戶需要大筆交易，則 MEV 的值需要足夠高。

3）系統(tǒng)對(duì) MEV 的高容忍能力，取決于系統(tǒng)對(duì)惡意行為礦工的懲罰力度。用戶可通過(guò) 2 種方式懲罰礦工：

a）首先，用戶可出售部分或全部比特幣。當(dāng)比特幣價(jià)格下跌了 10％，礦工則會(huì)損失相對(duì)攻擊之前的承諾價(jià)值的 10％。

b）其次，用戶可以協(xié)調(diào)鏈下暫停中本聰共識(shí)。

4）礦工的長(zhǎng)期承諾成本越大，潛在的懲罰力度就大，礦工的長(zhǎng)期承諾成本越小，潛在的懲罰力度就越小

5）礦工的長(zhǎng)期承諾成本與礦工收入（MR）、總成本中承諾成本占比和折舊時(shí)間表相關(guān)。

3. 挖礦攻擊有哪些？

根據(jù)以上模型，該論文推導(dǎo)出了對(duì)比特幣系統(tǒng)最主要攻擊是如何進(jìn)行的。

攻擊與哈希算力高度相關(guān)。理論上，只需持有 30% 哈希算力就可以進(jìn)行自私挖礦（selfish mining）或固執(zhí)挖礦（stubborn mining），但目前為止，這類攻擊至今尚未發(fā)生在比特幣網(wǎng)絡(luò)中。

該論文建立的模型表明，一個(gè)理性的礦工致力于降低公眾對(duì)比特幣信任度的策略是不可能的，因?yàn)榧词怪皇莾r(jià)格小幅下跌，也會(huì)降低其承諾的價(jià)值，該價(jià)值會(huì)比從 MEV 獲得的價(jià)值高。

一個(gè)案例可支持該理論。2014 年 GHash.io 礦池哈希算力大于 50%，這導(dǎo)致了博彩網(wǎng)站 BetCoin Dice 的雙花攻擊事件。此事在比特幣社區(qū)引發(fā)騷亂，普遍認(rèn)為其中心化礦池導(dǎo)致了信任被動(dòng)搖。很多巨鯨開(kāi)始出售自己的比特幣。

之后，個(gè)體礦工大量逃離了該礦池，以保護(hù)他們的投資。在那之后，沒(méi)有一個(gè)礦池敢達(dá)到如此高比重的哈希算力水平。礦工似乎已經(jīng)意識(shí)到，任何形式的市場(chǎng)恐慌最終都會(huì)對(duì)自己產(chǎn)生不利影響。

在這里，我們可以看到拜占庭模型與理性模型之間的差異：

在拜占庭模式下，一旦礦工的哈希能力大于 50％，比特幣就不安全。然而，復(fù)雜世界中比特幣的穩(wěn)定狀態(tài)很可能是哈希算力的壟斷造成。目前可能就屬于是壟斷狀態(tài)，這一點(diǎn)無(wú)力反駁。

參看所有參與者的動(dòng)機(jī)可表明，在有一個(gè)占據(jù) 51% 以上算力的礦工存在的情況下，比特幣也不會(huì)自動(dòng)失敗。不過(guò)，當(dāng)?shù)V工擁有超過(guò) 50％的哈希能力時(shí)，就可以確定自己提出的鏈最終將成為中本聰共識(shí)的規(guī)范鏈，這有可能產(chǎn)生兩類眼中的攻擊：雙花攻擊和破壞活動(dòng)攻擊。

3.1 雙花攻擊

模型表明，BTC 價(jià)格小幅下降不大可能導(dǎo)致大規(guī)模的雙花攻擊，因?yàn)閺?MEV 獲得的收益必須要高于損害礦工的長(zhǎng)期承諾成本才可讓攻擊獲利。此外，礦工還得考慮用戶可能暫停中本聰?shù)墓沧R(shí)，這樣就完全否定了攻擊者可獲得的回報(bào)。

隨之而來(lái)的是，雙花攻擊者，希望最大程度地減少可感知到和實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中斷，以免引發(fā)上述任何處罰。攻擊者可通過(guò)將重組保持在 100 個(gè)區(qū)塊以內(nèi)，原鏈的挖礦獎(jiǎng)勵(lì)可被用于花費(fèi)。如此深入的重組將不再僅僅影響個(gè)人用戶，有可能引發(fā)與預(yù)期更多的無(wú)效交易。襲擊者會(huì)盡力重播每一個(gè)交易，包括挖礦獎(jiǎng)勵(lì)輸出，僅使用已更改的雙花交易重新創(chuàng)建完全相同的歷史記錄。

鑒于以上種種限制，對(duì)于一個(gè)理性的礦工來(lái)說(shuō)，是不會(huì)選擇進(jìn)行孤立的雙花攻擊的。

4. 區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)不斷下降，比特幣安全性如何？

關(guān)于比特幣安全性的模型必須考慮未來(lái)可能發(fā)生變化的參數(shù)，以及考慮他們?yōu)槭裁磿?huì)發(fā)生變化。該論文認(rèn)為，比特幣的安全性取決于這幾個(gè)要素：礦工的承諾、MEV 和用戶對(duì)價(jià)格敏感度。

如今，比特幣的高波動(dòng)性要求礦工有很高的風(fēng)險(xiǎn)承受能力。一旦比特幣的價(jià)格升值并達(dá)到頂峰并長(zhǎng)期保持在穩(wěn)定的峰值，那么，挖礦可能會(huì)開(kāi)始類似于傳統(tǒng)的商品市場(chǎng)，其生產(chǎn)者的收益和波動(dòng)性變低。更低的波動(dòng)性將會(huì)使礦工傾向于尋求更高的杠桿率，將極小的價(jià)格波動(dòng)放大。

如果比特幣嚴(yán)重威脅到主權(quán)貨幣，那么政府對(duì)其攻擊的動(dòng)機(jī)會(huì)變大，它們可能會(huì)實(shí)施審查制度等形式破壞和攻擊比特幣網(wǎng)絡(luò)。深度衍生品市場(chǎng)的存在更易于人們加大賭注做多做空比特幣的價(jià)格，這進(jìn)一步增大了 MEV 的可能性。

然而，以上均不是變動(dòng)最大的因素，最大可變因素在于比特幣協(xié)議本身，比如，礦工激勵(lì)下降帶來(lái)的影響。

作為礦工長(zhǎng)期承諾成本的決定性因素，礦工的所有利潤(rùn)來(lái)自于區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)，該獎(jiǎng)勵(lì)由兩部分組成：

1）每鑄造一個(gè)新代幣的區(qū)塊補(bǔ)貼

2）交易費(fèi)

區(qū)塊補(bǔ)貼目前占全部區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)的 99％，目前正在逐步降低，到 2020 年，比特幣的年發(fā)行量將降至 1.8％，到 2028 年，該數(shù)字減半至 0.5％。

這就導(dǎo)致一個(gè)結(jié)果，作為礦工最重要的收入來(lái)源，逐漸降低的礦工補(bǔ)貼，必須被某種全新的收入來(lái)源所取代。

到目前為止，比特幣的安全性由其本身價(jià)值支撐。未來(lái)，比特幣的安全性將由目前尚不存在的二級(jí)市場(chǎng)支撐。

是否能找到足夠支持比特幣安全性的二級(jí)市場(chǎng)具有很大的不確定性。現(xiàn)在，收取交易費(fèi)的目的是為了仲裁有效區(qū)塊空間的優(yōu)先權(quán)。未來(lái)，為了給礦工創(chuàng)造足夠的收入，對(duì)區(qū)塊空間的需求必須要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于區(qū)塊空間的供給，只有這樣才能創(chuàng)造對(duì)區(qū)塊空間的需求，從而提高交易費(fèi)用的價(jià)格。

然而，即使未來(lái)用戶對(duì)區(qū)塊空間的需求很高，也有可能交易費(fèi)仍然很低。如果大多數(shù)人只是持有比特幣，或者大部分交易是發(fā)生在中心化交易所或各種鏈下解決方案上，那么，就會(huì)出現(xiàn)交易費(fèi)較低這種情況。

4.1 增加確認(rèn)數(shù)能夠彌補(bǔ)獎(jiǎng)勵(lì)補(bǔ)貼下降帶來(lái)的影響嗎？

有一種說(shuō)法是，可通過(guò)增加確認(rèn)數(shù)來(lái)彌補(bǔ)不斷下降的獎(jiǎng)勵(lì)補(bǔ)貼對(duì)比特幣安全造成的影響。但 Hasu、James Prestwich 和 Brandon Curtis 三人建立的模型表明，即使是更多的區(qū)塊確認(rèn)數(shù)也無(wú)法保障比特幣的安全性。

該論文舉了個(gè)例子來(lái)證明這個(gè)結(jié)論：

不過(guò)，作者也指出，增加更多確認(rèn)確實(shí)有另一個(gè)好處，這樣通過(guò)增加礦工的最小攻擊持續(xù)時(shí)間，用戶可以獲得某種形式的群體免疫力。

但論文指出，增加確認(rèn)次數(shù)，只會(huì)對(duì)安全性產(chǎn)生一定程度的積極影響，但可能無(wú)法取代旨在維持系統(tǒng)高 MEV 容忍度的礦工承諾。

5. 長(zhǎng)期安全考慮

即使基于區(qū)塊空間的需求市場(chǎng)最終不成功，比特幣也不會(huì)一夜之間失效。比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)是在很長(zhǎng)一段時(shí)間穩(wěn)步減少的，因此，任何由挖礦成本 MR 降低所引發(fā)的問(wèn)題，都會(huì)首先以一種微弱形式出現(xiàn)，然后逐漸變得更加明顯， 從而為用戶提供足夠的時(shí)間作出反應(yīng)和協(xié)調(diào)，出現(xiàn)可能的解決方案。

值得注意的是，即使這些影響安全的問(wèn)題成為現(xiàn)實(shí)，人們對(duì)比特幣依然保持樂(lè)觀。

比特幣擁有最大用戶基礎(chǔ)，最廣泛的分配基礎(chǔ)和越來(lái)越多的金融基礎(chǔ)設(shè)施集成。在其短暫的生命過(guò)程中，比特幣作為一種貨幣，已從一種技術(shù)逐漸演變?yōu)橐环N具有社會(huì)政治意識(shí)形態(tài)的運(yùn)動(dòng)。很難想象除了完全缺乏需求之外，比特幣會(huì)因?yàn)槠渌蛩貙?dǎo)致終結(jié)。

作者指出，未來(lái)可通過(guò)增加 MR、降低 MEV 或提高礦工懲罰力度這 3 種主要的因素來(lái)提高安全性。

5.1 提升區(qū)塊空間的需求

首先，比特幣開(kāi)發(fā)者可以嘗試提升比特幣區(qū)塊空間的需求，這可通過(guò)更新協(xié)議使比特幣區(qū)塊空間更具吸引力，或啟動(dòng)一項(xiàng)可通過(guò)消耗區(qū)塊空間產(chǎn)生盈利的業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)比特幣區(qū)塊空間的需求，包括比特幣交易需求和在鏈上存儲(chǔ)任意數(shù)據(jù)兩種需求。

在比特幣交易方面，包括增加時(shí)間鎖和比特幣閃電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)在內(nèi)的創(chuàng)新性應(yīng)用，可增強(qiáng)比特幣交易能力及其靈活性。任意數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可用于實(shí)現(xiàn)非共識(shí)性的資產(chǎn)分類帳本，比如 USDT 或染色幣，或錨定一個(gè)證明到另一個(gè)系統(tǒng)上，比如 Factom 或 Veriblock。

比特幣系統(tǒng)針對(duì)比特幣轉(zhuǎn)移進(jìn)行了高度優(yōu)化，但在一定程度上，對(duì)任意數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)存在局限性，在系統(tǒng)中是不被鼓勵(lì)的。因?yàn)檫@些任意數(shù)據(jù)可能代表比特幣網(wǎng)絡(luò)之外的無(wú)限價(jià)值，有可能引發(fā)極高的支付意愿，從而導(dǎo)致重新利用比特幣交易結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。雖然，這可能會(huì)對(duì)比特幣區(qū)塊空間產(chǎn)生穩(wěn)定需求，不斷提高交易費(fèi)并增加挖礦獎(jiǎng)勵(lì) MR，但也潛在地提升了無(wú)限的 MEV，并增加了對(duì)區(qū)塊鏈攻擊的動(dòng)機(jī)。因此，比特幣用戶需要考慮在這種情況下區(qū)塊空間需求帶來(lái)的相對(duì)價(jià)值和可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 永續(xù)發(fā)行區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)

第二種機(jī)制可能是分叉一種永久發(fā)行的新比特幣。如果人們同意，在某種程度上挖礦獎(jiǎng)勵(lì) MR 是維持比特幣正常運(yùn)行的必需條件，那么 MR 必須由用戶以某種方式進(jìn)行支付。那么，假如設(shè)置每一年的 MR 為供應(yīng)量的 1%，那么，為了支持比特幣系統(tǒng)，所有比特幣用戶將總共損失了 1％的購(gòu)買力。

必須澄清一點(diǎn)的是，比特幣供應(yīng)量是固定的，但其代表的購(gòu)買力并不是固定的。此外，永久發(fā)行不等于通貨膨脹。

如果比特幣需要用戶無(wú)論如何都得失去 1％的購(gòu)買力，那么，通過(guò)永久發(fā)行支付這些成本并不會(huì)比通過(guò)支付交易費(fèi)用損失更多的購(gòu)買力。

實(shí)際上，在一個(gè)年永續(xù)發(fā)行區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)為 1% 的比特幣系統(tǒng)中，比特幣購(gòu)買力和安全性會(huì)比年永續(xù)發(fā)行獎(jiǎng)勵(lì)為 0% 的比特幣系統(tǒng)更高。

相反，要問(wèn)的是，是誰(shuí)在使用何種機(jī)制在為 MR 付費(fèi)？

在一個(gè)理想的系統(tǒng)中，用戶將根據(jù)他們獲得的價(jià)值來(lái)支付運(yùn)營(yíng)成本。這將最大程度地增加收入，從而最大化安全性，因?yàn)樗杏脩舳夹枰鶕?jù)其效用付費(fèi)。它進(jìn)一步確保了系統(tǒng)公平性和壽命。被某些成員視為不公平的系統(tǒng)不太可能維持很長(zhǎng)時(shí)間，這會(huì)產(chǎn)生極大動(dòng)機(jī)分叉一個(gè)自己的系統(tǒng)，從而將搭便車的用戶甩掉。

實(shí)際上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能事先不知道誰(shuí)是高價(jià)值用戶。一旦建立，所有用戶可能會(huì)同意，將原始參數(shù)更改為更優(yōu)化的參數(shù)，比簡(jiǎn)單地使用原來(lái)的成本更高。

從概念上講，比特幣系統(tǒng)中有兩種主流用戶：持有者和交易者。它們之間沒(méi)有明確的界限，因?yàn)槿魏谓灰渍叨急仨毘钟斜忍貛?，至少?duì)于在很短的時(shí)間內(nèi)，任何持有人都必須最終進(jìn)行交易比特幣（盡管不一定在鏈上）。

在一個(gè)永久發(fā)行范例中，MR 將不會(huì)受區(qū)塊空間市場(chǎng)中事件的影響，而在當(dāng)前范例中，對(duì)區(qū)塊空間需求的沖擊，有可能整個(gè)系統(tǒng)的安全性直線下降。

我們想要的貨幣化商品所有權(quán)至關(guān)重要。如果針對(duì)交易者貨幣化區(qū)塊空間，必須確保大部分空間單位是由某人一直所有。對(duì)持有人收費(fèi)則完全消除了這種摩擦，因?yàn)槊總€(gè)比特幣總能會(huì)都有一個(gè)使用者。

最后，應(yīng)該注意的是，持有人的貢獻(xiàn)比那些交易者雖然更加隱形，但確實(shí)是真實(shí)存在的。當(dāng)系統(tǒng)受到攻擊時(shí)，持有者更有切膚之痛，并且更有意愿支付社交協(xié)調(diào)成本。當(dāng)評(píng)價(jià)每個(gè)用例對(duì)安全性有多大貢獻(xiàn)時(shí)，對(duì)比特幣系統(tǒng)持有一個(gè)整體觀非常重要。

5.3 眾籌

區(qū)塊空間市場(chǎng)的范式下，眾籌是一個(gè)讓比特幣持有者負(fù)擔(dān) MR 成本且爭(zhēng)議較小的方式。

可以考慮的方式是，讓巨鯨（大量持有比特幣的人）和對(duì)維護(hù)比特幣安全性興趣極高的持有人通過(guò)投資創(chuàng)建一個(gè)基金，產(chǎn)生「任何人均可花的交易」（可以比特幣 DAO 的形式），礦工可以在某個(gè)區(qū)塊高度處聲明這些交易，這些交易可以成為私人資助的區(qū)塊補(bǔ)貼。該解決方案的好處是無(wú)需更改協(xié)議。

這種方式的缺點(diǎn)在于，最終可能陷入了經(jīng)典的搭便車場(chǎng)景：許多人希望比特幣是安全的，但沒(méi)有人愿意為此付錢。為此，可通過(guò)主導(dǎo)保證合約（dominant assurance contract， DAC）的形式解決。

作為眾籌合同的一種變體，DAC 試圖使貢獻(xiàn)策略成為主導(dǎo)策略，而不是等待其他人做出貢獻(xiàn)。在 DAC 中，一方必須擔(dān)任企業(yè)家的角色，希望讓某種公共物品（在本例中為 MR）被資助，這位領(lǐng)導(dǎo)者定義了要籌集的目標(biāo)金額，并在籌款人未達(dá)到目標(biāo)的情況下，通過(guò)向他人支付少量資金來(lái)鼓勵(lì)其他人做出貢獻(xiàn)。

5.4 調(diào)整區(qū)塊空間的供應(yīng)

最后，可通過(guò)更改區(qū)塊空間的供應(yīng)來(lái)提高 MR。固定供應(yīng)系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)是，只要需求略低于供應(yīng)，交易費(fèi)立即變?yōu)榱恪?/p>

雖然，一個(gè)區(qū)塊中的所有使用者可能愿意集體支付 5 枚 BTC 的交易費(fèi)，但是如果供應(yīng)過(guò)多，它們最終都將不支付任何費(fèi)用，因?yàn)椴粫?huì)出現(xiàn)擁堵。

因此，可通過(guò)將區(qū)塊的大小空間手動(dòng)降低到略低于需求，人為造成永久性擁堵從而捕獲價(jià)值。此類更改可由開(kāi)發(fā)人員手動(dòng)進(jìn)行，也可以通過(guò)比特幣協(xié)議本身。解決方案之一就是自適應(yīng)的區(qū)塊大?。合到y(tǒng)會(huì)查看從費(fèi)用中產(chǎn)生的 MR，并將其與所需的目標(biāo) MR 進(jìn)行比較，以保證系統(tǒng)安全。如果 MR 《targetMR，則降低區(qū)塊大小，以人為創(chuàng)造堵塞。如果 MR》 targetMR，則用戶為安全性付出的成本偏高，有些人為造成擁塞的可移除，從而增加區(qū)塊大小至社區(qū)選擇的硬頂限制。（當(dāng)前為 2.3 MB）

5.5 降低 MEV

除了增加 MR，比特幣用戶還可以考慮減少各種想法 MEV。一個(gè)好的起點(diǎn)是，考慮比特幣上 MEV 的潛在來(lái)源區(qū)塊鏈。

5.6 加強(qiáng)礦工懲罰力度

比特幣用戶對(duì)礦工惡意行為的低容忍度，可通過(guò)對(duì)其行為進(jìn)行有力檢查。當(dāng)價(jià)格對(duì)攻擊反應(yīng)強(qiáng)烈時(shí)，雖然比特幣 MEV 不變，但對(duì)礦工的承諾投入會(huì)產(chǎn)生大量損失，如果比特幣價(jià)格非常穩(wěn)健，礦工所付出的承諾必須是更大。
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