比特币:工作量证明与奖励机制

比特币之所以能成功,工作量证明与奖励机制的巧妙设计功不可没,到底是什么样的设计,让比特币开启了加密货币的时代?

什么是工作量证明

首先,我们先来看看什么是工作量证明:

工作量证明(Proof-of-Work,PoW)是一种对应服务与资源滥用、或是阻断服务攻击的经济对策。一般是要求使用者进行一些耗时适当的复杂运算,并且答案能被服务方快速验算,以此耗用的时间、装置与能源做为担保成本,以确保服务与资源是被真正的需求所使用。此一概念最早由Cynthia Dwork和Moni Naor于1993年的学术论文提出,而工作量证明一词则是在1999年由Markus Jakobsson与Ari Juels所发表。现时此一技术成为了加密货币的主流共识机制之一,如比特币所采用的技术。– 维基百科

简单来说,就是要使用者付出成本来得到相对应的工作量证明;举个例子,如果想成为律师、医师还是救生员,你必须有相关的执照,这个执照会花费你相当多的成本,大概是这样的概念。

而在比特币系统中,工作量证明可以浓缩成两句话:谁的算力大,谁说话算话,付出较多的算力就能获得相对应的工作量证明,我们稍后会再提及这点。

工作量证明解决的问题

让我们先思考一下,如果今天我们要创造比特币,而我们认为未来将会有很多人加入成为比特币网路节点,这时候有哪些问题会产生:

  • 哪个节点可以创造区块?
  • 如何保持公平性?
  • 怎么防止女巫攻击?

于是如我们今日所见,中本聪利用工作量证明的方式解决了这三个问题。

他设计要求节点,只有提出工作量证明才能够(或是说有权力)发表新的区块,并订定清楚的规则,一定程度的保持了各节点之间的公平性。

另外,因为提出工作量证明需消耗时间、设备等成本,也就让人难以随便创造千万个节点来控制网路,防止了女巫攻击。

比特币的工作量证明方式

比特币使用的工作量证明方式,是要求节点解决一个谜题:Hash Puzzle。

规则是这样的,节点要找到一个「常数」,当我们把这个常数与整个区块,丢进SHA-256算法计算,得出的Hash值落在目标区间内的时候,就是成功解开了这个谜题。

这个节点付出算力,计算并找寻「常数」,试图解开谜题的过程,就是所谓的「挖矿」。

这样的工作量证明方式有三种特性:

  • 找到这个常数有一定的难度,所以只有少数使用者能成为节点
  • 各个节点的算力/全网算力,便是各个节点找到下一块区块的机率
  • 演算法容易验证,只要某节点一提供常数,其他节点马上就能验证是否正确

奖励机制

人们为什么有要耗费设备、金钱、时间去挖矿呢?因为可以获得比特币奖励。

我们先非常简略的说一下挖矿的原理:矿工(也就是节点)们把比特币网路上那些尚未确认的交易打包进区块,接着便开始算数学解谜,若是成功解开,便可以把区块广播至全网,供其他节点认证。

矿工可以获得的奖励有两种形式:

一、创造区块奖励

英文是Block Reward,它的原理很简单,就是每一个区块被创造的时候,创造者有权力进行以下的行为:

  • 在区块的交易列表中包含一笔coin-creation
  • 选择这笔coin-creation的接收地址(当然,照理来说会填自己的地址)

coin-creation可以称之为比特币的「发行」,目前2019年每个区块可以产生12.5个比特币;因为总额数量有限,所以Block Reward大约四年作用会减半一次。

二、交易手续费

除了创造区块奖励,矿工还有另外一项奖励:区块中包含的交易手续费。

记得前面提过,矿工会把未确认的交易打包进自己的区块吗?若是最后矿工成功解开谜题,且区块被验证成功上链,那么区块中那些交易的手续费便会成为矿工的奖励。

奖励机制巧妙的设计

如果要让比特币「发行」的交易有效,必须让包含那笔交易的区块成功出现在最长链上,那么,节点必须诚实的打包交易、诚实的发布可以让其他人成功验证的区块,才有可能成功。

也就是说,若是节点恶意去打包双花交易,或是试图进行其他恶意的行为,它便无法获得发行的区块奖励,等于做白工。

因此,比特币的奖励机制,巧妙的达到只奖励诚实节点的目的。

神奇三角

比特币还有一个非常神奇的特性,让我们先想想几个问题:

一、我们怎么保证区块链的安全性?

首先我们需要一定数量诚实的矿工,假设今天只有一个矿工,一切他说了算,那这绝对不是个安全的区块链,也就是说,我们需要一个健全的挖矿系统。

二、那么我们要怎么创建健全的挖矿系统?

需要利用上面提过的奖励机制,让人们们为了获得「有价值」的比特币而成为挖矿节点,并为了得到奖励而表现诚实。

三、我们要如何让比特币有价值?

比特币要有价值,必须让人们相信这是一个安全的、去中心化的、稳定的区块链,不受私人操控,而且价值产生来源于共识,所以要有庞大的共识为支撑。

让我们整理一下这三点:

  • 区块链的安全性
  • 健全的挖矿系统
  • 比特币的价值


发现了吗?这三项特性中,每一项之所以存在都是依赖于另外两项;那么比特币到底是怎么从这一切都不存在,变成如今三项都完整存在的呢?

这个问题没有标准答案。事实上,现在所有发行山寨币的项目方,都努力的用不同的方法试着达成这样的目标;而这也是那些比特币信仰者们,拥有信心的一大原因。

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