摘要:作為加密數(shù)字貨幣的開山鼻祖,比特幣合理的激勵機(jī)制設(shè)計(jì)是它成功的重要因素。目前比特幣的區(qū)塊獎勵是。目前的號提案計(jì)劃將基礎(chǔ)獎勵調(diào)整至。在的共識機(jī)制中,所有的區(qū)塊被保留了下來。但這樣的策略為激勵設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
比特幣/以太坊的激勵機(jī)制在比特幣系統(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(shí)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?zhǔn)浇Y(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(fèi)機(jī)制設(shè)計(jì)提出了哪些新的要求和挑戰(zhàn)呢?
對于一個基于工作量證明的公鏈來說,通過設(shè)計(jì)合理的激勵機(jī)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(jī)制設(shè)計(jì)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(jì)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(fèi)。每個用戶在發(fā)起一筆交易時,需要支付一筆 交易費(fèi) 。每個比特幣區(qū)塊中所有的交易費(fèi)會付給挖出這一區(qū)塊的礦工。在比特幣的設(shè)計(jì)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(dāng)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(fèi)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(fèi)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(fèi) 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(jì)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(jì)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(fèi),而是指定一個交易費(fèi)單價,被稱為燃料價格(gas price)。 交易實(shí)際執(zhí)行時的計(jì)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(fèi)。
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(yàn),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(dāng)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:
接下來,我們以 Conflux 共識機(jī)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(jī)制設(shè)計(jì)上有什么新的挑戰(zhàn),以及如何應(yīng)對。
DAG 的區(qū)塊獎勵機(jī)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(jì)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(jī)制中,所有的區(qū)塊被保留了下來。之所以這樣設(shè)計(jì),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(fèi)。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(dāng)?shù)膮^(qū)塊獎勵。這是因?yàn)?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(rèn)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(rèn)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(jī)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(jì)激勵機(jī)制的時候,仔細(xì)考慮了這一點(diǎn)。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(jī)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(dāng)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(jì)上的懲罰。
避免重復(fù)交易與交易費(fèi)機(jī)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(jī)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(jī)選取交易
2.設(shè)計(jì)激勵機(jī)制,鼓勵礦工遵守上一條規(guī)則
交易隨機(jī)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(fèi)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?zhǔn)浇Y(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(diǎn)選擇的交易都差不多一樣,都是那幾筆交易費(fèi)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(jī)地選取交易。當(dāng)交易等待池中的交易越多,礦工隨機(jī)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(fèi)意味著更高的優(yōu)先級。在 Conflux 的系統(tǒng)中,也應(yīng)當(dāng)保證交易費(fèi)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(biāo)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(fèi)總量。所以我們會根據(jù)交易費(fèi)為每筆交易計(jì)算一個權(quán)重,礦工根據(jù)權(quán)重從交易等待池隨機(jī)選取交易。
交易費(fèi)用激勵機(jī)制交易隨機(jī)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(fèi)交易的優(yōu)先級。但這樣的策略為激勵設(shè)計(jì)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(jì),一個區(qū)塊中的交易費(fèi)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(fèi)最高的交易,而非遵守上述規(guī)則。
這其實(shí)是一個博弈論機(jī)制設(shè)計(jì)問題。我們將每個節(jié)點(diǎn)打包交易的過程抽象成一個博弈問題并進(jìn)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(fèi),礦工節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的收益與這些區(qū)塊的總交易費(fèi)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(fèi),從而也就最大化了自己的期望收益。
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