普林斯顿大学研究者：区块奖励取消之后，比特币将面临重大安全问题（论文下载）

注：本文作者Arvind Narayanan是一个计算机科学家，同时还是普林斯顿大学的助理教授，主攻数据的去匿名化。

我和Miles Carlsten、Harry Kalodner以及Matt Weinberg共同发表了一篇名为《区块奖励取消将威胁比特币的稳定性》（On the instability of Bitcoin without the block reward）的论文（币文库全文下载）。我们在这篇论文中指出，矿工的收入一旦从区块奖励完全转移到交易手续费之后，挖矿奖励机制会彻底乱套。论文中的理论分析和我们的比特币挖矿模拟设备得出的结论几乎是完全吻合的。

比特币矿工的收入来源分为两种：区块奖励和交易手续费。目前，矿工的收入主要依靠区块奖励。但随着这类奖励的逐渐减少，从长期角度来看，他们的大部分收入还是得靠交易手续费。这种模式已经经过大量的讨论和测试，但相关研究都仅仅基于货币政策角度，而不是安全角度。人们在潜意识里默认了矿工收入的转变并不会影响到区块链的安全性和稳定性，对他们来说，无论这25个BTC（举个例子）是固定奖励还是交易手续费都并不重要。

我们在论文中反复检验了这一假设，但最终的结果仍然显示对比特币和很多其他加密货币的安全不利。我们的主要观点是，当矿工只能依靠交易手续费时，他们的收入就会变得十分不稳定，因为区块生成时间存在随机性。到时候，矿工很可能分叉（fork）“富裕”的区块（涉及交易金额较高的区块），并从中“窃取”奖励。

这其中存在的问题不是因交易手续费高低而引起的，而是由区块生成的随机性引起的。我们在实验中模拟了交易手续费的生成，费率是一致的；但在实际交易过程中，费率并不一致，情况也更加复杂。我们的论文中贯穿着同一个主题：即使是最简易的模拟过程也会得出令人担忧的结果。这绝对是个坏消息，因为我们认为在实际交易过程中，一切会表现得更加糟糕；而且我们希望加密货币挖矿存在的问题可以通过分析和模拟得出。但在我们的实验中，结果预测比我们想象中还要复杂得多。

下面我就来说说区块奖励取消带来的问题。由于分叉的可能性是存在的，（奖励）预设策略不再适用；我们在论文中展示了大量有趣的备用策略。目前最令人担忧的现象是“过度削减”（undercutting），矿工窃取的交易手续费比较少，因此很难追踪，而矿池中的其他矿工就会更倾向于增加区块中的交易量，而不是重新创建区块。

交易手续费彻底取代区块奖励之后，自私挖矿（selfish mining）的现象也会越来越严重。特别是以下情况发生时：假设你已经成功创建了一个区块，现在正在挖一个新的区块，但交易手续费为零，因此你很可能认为，还不如用这个区块进行自私挖矿。当区块奖励固定时，这种伎俩并没有意义；然而，一旦区块奖励取消，交易手续费变得不稳定，矿工很容易产生自私挖矿的想法。

一旦矿工动了这些念头，挖矿算力就会浪费在不断的分叉、过度削减和区块生成延迟上，区块链也因此变得不再安全。

我们的结论是由两种方法得出的：第一是理论分析，也就是博弈论（主要研究公式化的激励结构间的相互作用）；其次是挖矿过程模拟，这一过程让我们对实验结果更有信心。举个例子，在一次设置中，理论分析得出朗伯W函数处于平衡状态，论文中有几页专门说明了这一点；而在同等条件的模拟实验中，朗伯W函数设置的矿工果然表现最佳。希望我们的理论分析技术和模拟装置对其他研究者有所帮助。我们的模拟机代码已经开源。

我们的研究结果将带来什么影响？为了保证长期发展，比特币社区必须解决这一问题，很可能要通过分叉来阻止上述恶意行为。我们并不是说这些恶意的策略会在短期内出现，而是想要说明，从长期发展来看，是时候采取相应的措施逐步解决这些问题。事实上，目前区块容量上限为1MB，而且交易量不断增加，这能从一定程度上减少不同区块间的交易手续费差异，因此可以缓解上述问题，但这并不是一个完美的解决方案。举个例子，在本篇文章发布之时（原文），最新的1000个区块的交易手续费从0.03个BTC到4.51个BTC不等，平均值为0.49 BTC，标准偏差达到了0.25 BTC。因此，仅仅通过限制区块容量是不能解决上述问题的。

从更深的层次来看，我们的研究结果颠覆了区块奖励在加密货币系统中的传统地位。社区普遍认为，在这个没有中央机构的环境中，区块奖励有必要存在，但只是一种暂时性的，甚至是有害的货币初始分配方式。而交易手续费模式则被视为系统稳定的理想状态。然而，我们的研究表明，交易手续费和区块奖励相比，更难获得矿工的认可。因此，新型加密货币的创造者应该保证区块奖励的持久性，接受通货膨胀的事实；交易手续费可以同时存在，但应仅仅作为矿工打包区块交易的额外奖励。

最后一点：经济激励机制的设计大有学问，这门学科称为机制设计。只有合理的设计才能让参与者守规矩。每个加密货币的创造者（包括DAO等区块链应用的创造者）都在进行机制设计。但这类设计并不简单，早在我们之前，就有很多论文指出了加密货币机制设计缺陷。然而，可悲的是，加密货币社区和机制设计社区是完全分离的。这也是我为机制设计专家Matt Weinberg加入普林斯顿大学感到兴奋的原因。在本篇论文中，他提出了很多复杂的理论。有关更多加密货币的设计研究，敬请期待！

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