DAG賬本結(jié)構(gòu)對區(qū)塊獎勵與交易費機制設(shè)計提出了哪些要求和挑戰(zhàn)

在比特幣系統(tǒng)中，為了保證安全，比特幣的交易吞吐率需要保持一個較低的水平。為了提高區(qū)塊鏈的吞吐率，很多方案被提出來，其中一種方案通過使用有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph， DAG）的賬本結(jié)構(gòu)，提高基于工作量證明（Proof of Work， PoW）的區(qū)塊鏈系統(tǒng)的吞吐率，從而實現(xiàn)不犧牲安全性與去中心化的效率提升。

那么和經(jīng)典的鏈式結(jié)構(gòu)的 PoW 區(qū)塊鏈（如比特幣、以太坊）相比，DAG 賬本結(jié)構(gòu)對區(qū)塊獎勵與交易費機制設(shè)計提出了哪些新的要求和挑戰(zhàn)呢？

比特幣/以太坊的激勵機制

對于一個基于工作量證明的公鏈來說，通過設(shè)計合理的激勵機制，來鼓勵礦工參與挖礦并遵守規(guī)則，是非常重要的事情。

作為加密數(shù)字貨幣的開山鼻祖，比特幣合理的激勵機制設(shè)計是它成功的重要因素。在比特幣中，礦工每挖出一個區(qū)塊，就可以獲得一定數(shù)額的區(qū)塊獎勵。最開始這個獎勵數(shù)額是 50 BTC， 之后每挖出 21 萬個區(qū)塊，比特幣的區(qū)塊獎勵就減半。目前比特幣的區(qū)塊獎勵是 12.5 BTC。 預(yù)計在 2020 年夏天，比特幣的區(qū)塊獎勵將降至 6.25 BTC。

除了區(qū)塊獎勵，比特幣礦工的另一個收入來源是交易費。每個用戶在發(fā)起一筆交易時，需要支付一筆交易費。每個比特幣區(qū)塊中所有的交易費會付給挖出這一區(qū)塊的礦工。在比特幣的設(shè)計中，早期的交易不多，區(qū)塊獎勵是礦工主要的收入來源。隨著時間的流逝，當比特幣的用戶越來越多，區(qū)塊獎勵也經(jīng)過多次減半后，交易費將取代區(qū)塊獎勵成為主導(dǎo)部分。例如，在比特幣區(qū)塊 500439 中，交易費超過 13 BTC，高于該區(qū)塊的區(qū)塊獎勵 12.5 BTC。

以太坊的礦工收入主要也包含 區(qū)塊獎勵 與 交易費 兩部分，但與比特幣相比有幾處不同：

1. 以太坊的基礎(chǔ)區(qū)塊獎勵沒有比特幣的定期減半計劃。在初始階段，以太坊的基礎(chǔ)區(qū)塊獎勵是 5 ETH。在 2017 年名為拜占庭的硬分叉中，649 號提案被激活，基礎(chǔ)區(qū)塊獎勵調(diào)整為 3 ETH。目前的 1234 號提案計劃將基礎(chǔ)獎勵調(diào)整至 2 ETH。

2. 為了適配智能合約的場景，用戶在以太坊中發(fā)起交易時，不直接指定交易費，而是指定一個交易費單價，被稱為燃料價格（gas price）。 交易實際執(zhí)行時的計算量就是消耗的燃料，燃料用量乘以燃料價格是以太坊每筆交易最終的交易費。

3. 以太坊出塊速度較快，所以會出現(xiàn)更多分叉。為了給礦工提供更好的挖礦體驗，以太坊引入了“叔塊”的概念。每個區(qū)塊除了選擇自己的父親區(qū)塊，還應(yīng)當選擇最多兩個“叔塊”。每個區(qū)塊每選擇一個叔塊，可以額外獲得基礎(chǔ)區(qū)塊獎勵 1/32 的獎勵。而被主鏈區(qū)塊選中的叔塊，其中的交易不會被執(zhí)行，但也可以獲得一定的獎勵，具體數(shù)值是： （8+叔塊高度-主鏈塊高度）/8*基礎(chǔ)區(qū)塊獎勵

接下來，我們以 Conflux 共識機制為例，為大家分析一下使用 DAG 賬本結(jié)構(gòu)的 PoW 公鏈，在激勵機制設(shè)計上有什么新的挑戰(zhàn)，以及如何應(yīng)對。

DAG 的區(qū)塊獎勵機制

比特幣的方案在 DAG 中有什么問題

Conflux 通過有向無環(huán)圖結(jié)構(gòu)保留了所有的區(qū)塊，在保證去中心化和安全性的前提下，可以提高性能。但是，經(jīng)過計算和分析，我們發(fā)現(xiàn)如果在 DAG 中直接采用比特幣或以太坊的區(qū)塊獎勵方案會存在一些問題。

在 Conflux 的共識機制中，所有的區(qū)塊被保留了下來。之所以這樣設(shè)計，不僅是為了最大化交易處理速率，也有安全上的考慮。（目前已知的 DAG 區(qū)塊丟棄規(guī)則，在出塊速度較快時，都可能會被壞人利用，導(dǎo)致大量好人區(qū)塊被丟棄，從而可能影響安全性。因此保留所有區(qū)塊是唯一的選擇。）在這種情況下，如果我們依然采用比特幣或以太坊的規(guī)則，每一個區(qū)塊的區(qū)塊獎勵是一個固定值，將會面臨一個問題——我們稱之為 “零成本攻擊”的問題。

什么是“零成本攻擊”？ 我們假設(shè)在比特幣中，有一個攻擊者正在嘗試挖一條分叉鏈，以此來與主鏈競爭。如果競爭失敗，整個分叉鏈會被丟棄，攻擊者拿不到任何獎勵。在這個過程中，攻擊者消耗了大量算力，付出了巨額的電費。這樣的攻擊是有高額的成本作為代價的。

但如果一個攻擊者在 Conflux 中這樣做，他依舊可以拿到和正常挖礦相當?shù)膮^(qū)塊獎勵。這是因為 Conflux 會保留所有的區(qū)塊，固定區(qū)塊獎勵意味著攻擊者不會受到任何懲罰。（需要注意，攻擊者在 Conflux 這樣做是無法雙花已經(jīng)被確認的交易的，Conflux 的安全性以非常高的概率保證這件事）。

這個問題雖然不會危及鏈的安全性，但是會影響交易被確認的時間，也會使 DAG 結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，從而增加每個礦工的工作量。我們不希望看到，由于激勵機制沒有對類似這樣的攻擊行為做出任何懲罰，導(dǎo)致每天都有礦工在攻擊 Conflux。所以，我們在設(shè)計激勵機制的時候，仔細考慮了這一點。而我們的解決這一問題的方式是懲罰礦工“假裝沒有看到一些區(qū)塊”的行為。

Conflux 的區(qū)塊獎懲方案

下圖中以一個例子，說明了一個壞人如果想挖分叉鏈，就需要假裝沒有看到一些區(qū)塊。

如果要具體地描述這個機制，就要先講一個概念：“光錐外區(qū)塊”（anticone-block）。什么是“光錐外區(qū)塊”呢？在 DAG 中，如果兩個區(qū)塊之間沒有一條路徑，這兩個區(qū)塊的互為對方的 “光錐外區(qū)塊”， 比如在下圖中，B 和 C 互為對方的光錐外區(qū)塊。

一個區(qū)塊的區(qū)塊獎勵與它的光錐外區(qū)塊的數(shù)量有關(guān)，光錐外區(qū)塊越多，其獎勵越少。當壞人挖出一個新區(qū)塊時，那些假裝沒看見的區(qū)塊，都會成為壞人區(qū)塊的“光錐外區(qū)塊”，減少壞人區(qū)塊的區(qū)塊獎勵，對壞人造成經(jīng)濟上的懲罰。

避免重復(fù)交易與交易費機制

由于 Conflux 采用了 DAG 結(jié)構(gòu)，因此不同的區(qū)塊中可能會包含相同的交易。最近，社區(qū)里有很多熱心的朋友詢問我們，如果相同的交易過多，導(dǎo)致有效吞吐率大幅下降怎么辦。

這也是一個和激勵機制緊密相關(guān)的問題，解決這一問題，概括來說就是兩句話：

1.礦工從交易等待池（加權(quán)）隨機選取交易

2.設(shè)計激勵機制，鼓勵礦工遵守上一條規(guī)則

交易隨機選擇策略

在比特幣和以太坊系統(tǒng)中，每個礦工會選擇交易費最高的若干交易來打包，這樣的選擇在比特幣或以太坊這樣鏈式結(jié)構(gòu)下是沒有任何問題的。

但是在 Conflux 的 DAG 結(jié)構(gòu)中，如果依然采用這樣的策略，就可能會導(dǎo)致每個節(jié)點選擇的交易都差不多一樣，都是那幾筆交易費最貴的交易。那么區(qū)塊中就會出現(xiàn)大量的重復(fù)交易，導(dǎo)致吞吐率降低。

為了解決這個問題，一個很直觀的想法是，那就讓礦工們從交易等待池中，隨機地選取交易。當交易等待池中的交易越多，礦工隨機選取交易出現(xiàn)沖突的概率就越小，重復(fù)交易的比例就越小。

除此之外，我們還應(yīng)該考慮交易的優(yōu)先級問題。在比特幣/以太坊的系統(tǒng)中，更高的交易費意味著更高的優(yōu)先級。在 Conflux 的系統(tǒng)中，也應(yīng)當保證交易費更高的交易具有一定的優(yōu)先權(quán)。因此，交易選擇策略的目標不應(yīng)是最大化去重后的交易數(shù)量，而是去重后的交易費總量。所以我們會根據(jù)交易費為每筆交易計算一個權(quán)重，礦工根據(jù)權(quán)重從交易等待池隨機選取交易。

交易費用激勵機制

交易隨機選擇策略可以在很多交易都處于等待的狀態(tài)時，很好地解決交易重復(fù)的問題，同時還可以兼顧高交易費交易的優(yōu)先級。但這樣的策略為激勵設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

礦工們的目的是從挖礦的過程中獲取收益。如果違背交易選擇策略，可以為礦工們帶來更高的收益，礦工們自然就會選擇讓自己收益最大化的方案，而非遵守策略。如果 Conflux 采取和比特幣一樣的設(shè)計，一個區(qū)塊中的交易費由該區(qū)塊的礦工全部拿走，每個礦工的最優(yōu)策略將會是選擇交易費最高的交易，而非遵守上述規(guī)則。

這其實是一個博弈論機制設(shè)計問題。我們將每個節(jié)點打包交易的過程抽象成一個博弈問題并進行分析后發(fā)現(xiàn)，如果在多個并行存在的區(qū)塊之間，平均分配這些區(qū)塊中的交易手續(xù)費，礦工節(jié)點之間可以形成一種合作的模式：即共同通過減少沖突來最大化各自的收益。每個節(jié)點的收益與這些區(qū)塊的總交易費成比例。礦工如果遵守規(guī)則，將可以最大化這些區(qū)塊的總交易費，從而也就最大化了自己的期望收益。