工作量證明（PoW）的內(nèi)部攻擊模型
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會小白4星評價
2020-05-05 15:15:38
雖然，POW算法其實并沒有協(xié)調(diào)選擇博弈論中的安全性，因為多數(shù)聯(lián)盟可以形成和有益的審查和回復(fù)塊。但是當(dāng)我們考慮PoW的攻擊時，通常不會考慮到礦工聯(lián)合攻擊，而是想到購買礦工設(shè)備或者對更重鏈進行挖礦。這篇文章主要是談?wù)揚oW對抗控制半數(shù)哈希力攻擊的能力，不允許租用，或賄賂礦工，或與礦工進行任何其他形式的合作。
外部攻擊
外部攻擊者購買足夠的GPU或者ASIC直到完成對可信網(wǎng)絡(luò)的51%攻擊”，或者至少不與攻擊者合作。
假設(shè)通過給1個GUP可挖礦的區(qū)塊鏈增加X哈希力，并且會讓這個X哈希算力的GPU礦工從挖這個區(qū)塊鏈轉(zhuǎn)移到其他區(qū)塊鏈（因為如果不這樣，攻擊者的鏈就會獲利變少）。GPU挖掘假設(shè)是一種有效的、完全競爭的區(qū)塊鏈市場。
在這個簡單模型”中，對于有T算力的區(qū)塊鏈，攻擊者需要的算力是X=T/2，這些是非常多的GPU。
同時，假設(shè)通過增加X的ASIC算力，ASIC網(wǎng)絡(luò)的算力提升了X。ASIC挖礦區(qū)塊鏈是一種壟斷市場。在另個簡單模型”中，如果要攻擊T算力的ASIC區(qū)塊鏈，則需要有T算力才能發(fā)動攻擊。
事實上，真實的情況是介于兩者之間。區(qū)塊鏈GPU礦工市場并不是完全競爭的，區(qū)塊鏈ASIC礦工也不是完全壟斷。
盡管這非常有趣，但是我們盡量保持簡單：不再討論ASIC，假設(shè)我們就需要T/2的算力，來攻擊擁有T算力的區(qū)塊鏈。
而且，這其實應(yīng)該是充分競爭”的場景，因為礦工在發(fā)現(xiàn)有攻擊者出現(xiàn)的時候，就會立刻去挖別的，因為區(qū)塊鏈受到攻擊意味著利潤降低。
所以，我們模型的關(guān)鍵，就是持有T/2的算力，就可以攻擊擁有T算力的區(qū)塊鏈。
內(nèi)部攻擊者
內(nèi)部攻擊者不會去購買足夠的GPU來獲得T/2的算力，而是購買更少部分的算力X= p*T。內(nèi)部攻擊者開始挖礦，并且現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)最誠實的部分擁有Y = T - X = （1 - p）*T算力。內(nèi)部攻擊者繼續(xù)在最長的鏈上挖礦，獲得區(qū)塊獎勵，和其他礦工競爭。
內(nèi)部攻擊者會將挖礦獎勵用于購買更多算力。假設(shè)在我們的模型，內(nèi)部攻擊者能夠以每月1+r的速率來增加算力。也就是說，如果內(nèi)部攻擊者在0月份獲得X算力，那么在1月份就會獲得X（1 + r）的算力。
同時也假設(shè)最誠實的礦工也投資來獲得更多算力，但是按照每月1+h的速率增加。
在這個實驗中，我們假設(shè)1 + r > 1 + h。攻擊者都會想要最大化自己的算力。最誠實的礦工專注于利潤。攻擊者也許會因為這種利益獲得贊助，或者長期的策略。最誠實的礦工不會和這個攻擊者合作，并且不知道有攻擊者的存在（攻擊者會看起來是誠實挖礦，但是自私挖礦會增加r – h的值）。
在N個月之后，內(nèi)部攻擊者已經(jīng)有了X（1+r）^N的算力，而且網(wǎng)絡(luò)還剩下Y（1+h）^N算力。攻擊者在獲得和網(wǎng)絡(luò)同樣算力的時候，就勝利了。 X（1+r）^N =Y（1+h）^N <==> （（1+r）/（1+h））^N = Y/X = （1-p）/p 我們把（1+r）/（1+h）比例成為攻擊者的優(yōu)勢”，并且記為a。所以當(dāng)a^N = （1-p）/p時，攻擊者勝利。
內(nèi)部攻擊者有a和初始哈希力的比例p，因此可以在經(jīng)過N = ln（（1 - p）/p）/ln（a） months月后，進行成功的攻擊。同時，也不一定就是月份，在任何階段數(shù)學(xué)都是不變的，只要我們能夠計算出a”。
下面表格中的數(shù)字可以幫助我們理解：
根據(jù)上面的數(shù)字，對于內(nèi)部攻擊來說，每個月都有5%, 10% 和25%的漲幅，而且網(wǎng)絡(luò)的初始算力有10%, 20% 或者 30%。
那么對于這個模型，我們有多少的安全性呢？
了解這個內(nèi)部”策略的外部攻擊者有選項。如果他們知道他們會在N個月后進行攻擊，而且他們也知道自己的a是多少，然后他們就會計算需要的初始算力比重。也就說，他們可以計算出自己所需要的GPU、
如果攻擊者知道他們所需要的GPU，已經(jīng)a的值，那么他們就可以計算所需要的月數(shù)來獲得他們攻擊目標(biāo)的大多數(shù)算力。
那么區(qū)塊獎勵讓我們獲得了什么？
增加區(qū)塊獎勵可以增加購買算力的成本。攻擊者之前可以買得起10%的算力，但是現(xiàn)在可能只能買得起5%的算力，來開始他們的攻擊。
如果將區(qū)塊獎勵翻倍，那么就會延遲區(qū)塊獎勵： ?N =ln（（1 - p/2）/（p/2））/ln（a） - ln（（1 - p）/p）/ln（a） = （ln（（2 - p）/p） - ln（p/（1 - p）））/ln（a） = ln（（2-p）/（1-p））/ln（a） 所以如果增加區(qū)塊獎勵，就可以降低a的值，然而降低了購買哈希算力p的能力，從而也降低了?N = ln（（1-p）/（2-p））/ln（a）攻擊成功的概率。
請看另一個表格。
由于加倍了區(qū)塊獎勵，擁有10%，20%或者30%比重的攻擊者，假設(shè)他們有5%,10%或者25%的a值，所需要的月份都會增加。假設(shè)在哈希算力增加的情況下，網(wǎng)絡(luò)哈希力也會增加（在完全競爭市場的假設(shè)）。
區(qū)塊獎勵翻倍將攻擊延遲了10個月。但是，每10個月增加區(qū)塊獎勵，這樣來永久推遲攻擊，代價非常昂貴。
總結(jié)
其實這個模式非常簡單，假設(shè)攻擊者最初有一定的算力，同時也能夠按照一定比例來增加算力，這會比現(xiàn)在礦工的算力呈指數(shù)級增加。這是可靠的假設(shè)，因為利潤和算力呈正比，并且因為這使得數(shù)學(xué)非?？尚?。
我們可以看到一些數(shù)字，究竟攻擊者需要幾個月，才可以在給定的a值下，完成攻擊，而且如果增加區(qū)塊獎勵，他們的攻擊會被延遲多久。 所以，很明顯如果增加區(qū)塊獎勵，在這個模型中，是可以增加網(wǎng)絡(luò)的安全性。假設(shè)，礦工不會和攻擊者合作，而且攻擊者會購買哈希算力來進行網(wǎng)絡(luò)攻擊（不論他們是否會在購買后進行誠實挖礦）。
但是，這個模型能否真實使用，仍然需要證實。如果有人提出更加合理的a值，那么就會更好了，當(dāng)攻擊者嘗試不同的策略，都可以適用。 這些數(shù)字會幫助我們思考有多少安全礦工在抵御這些不和礦工合作的攻擊者。
a生涯F役6星評價
2020-05-05 15:16:28
在2014年時，我參加的大部分會議是“比特幣會議”，現(xiàn)在尼瑪，全改成“區(qū)塊鏈會議”。最搞笑的是，哪怕是礦工大會，也會被稱為“區(qū)塊鏈礦工大會”。
在比特幣會議里，工作量證明，是不可或缺的一部分，而在區(qū)塊鏈大會中，工作量證明是一種被恥為落后的技術(shù)，甚至是被一群無恥貪婪的礦工把持的邪惡的工具。
那工作量證明到底有多不重要呢?
第1章 支撐比特幣的四大技術(shù)
現(xiàn)在大家講區(qū)塊鏈，都是把它描述成比特幣的底層技術(shù)。這種描述是不完善的，應(yīng)該說區(qū)塊鏈是比特幣的底層技術(shù)之一。構(gòu)成比特幣的技術(shù)支撐包括了：區(qū)塊鏈，工作量證明，點對點網(wǎng)絡(luò)和加密技術(shù)。
這四大技術(shù)很難分出誰更重要，對比特幣來說，缺一不可。雖然現(xiàn)在市場只突顯出區(qū)塊鏈的重要性，但是，離開后面三個技術(shù)，區(qū)塊鏈完全可以改名稱為分布式賬本，或者叫一個數(shù)據(jù)庫分片技術(shù)。比特幣最重要的技術(shù)絕對不是區(qū)塊鏈。
比特幣給世界帶來的最重要啟示或價值，并不是帶來了區(qū)塊鏈這個技術(shù)。最重要的是比特幣帶來了一種去中心化的可以穩(wěn)定運行的記賬或貨幣體系，這是一個不需要許可就可以接入，不需要信任任何人就可以轉(zhuǎn)賬和驗證交易的系統(tǒng)。我們需要信任的是這個網(wǎng)絡(luò)。
本質(zhì)上，比特幣帶給我們的最偉大的價值是一“信任機制”，這種“信任”不來自特定的個人，也不來自特定的主體，不來自任何一個第三方中心化的節(jié)點，而是來自是一種去中心化的網(wǎng)絡(luò)。在這以往是沒有過的。即我們只需要“信任”這個網(wǎng)絡(luò)，只要這個網(wǎng)絡(luò)不崩潰，我們就可以發(fā)交易、驗證交易、作支付、發(fā)行股票、保存財富、以及任何記賬行為。
比特幣的這種“信任”是由上述四大技術(shù)共同支撐的，抽象出區(qū)塊鏈一個技術(shù)，無法獲得這樣的信任。
關(guān)鍵的是這種信任機制是如何建立的?
第2章 為什么我們能信任比特幣這個去中心化的網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)在各種區(qū)塊鏈項目的廣告，絕對是技術(shù)發(fā)展史上最夸張的廣告。但凡是一個區(qū)塊鏈，都敢說自己是不可篡改，去中心化，無需信任，即使它們不包含工作量證明，也不是一個點對點網(wǎng)絡(luò)。
工作量證明是比特幣網(wǎng)絡(luò)值得信任的不可缺少的因素。工作量證明是依據(jù)自由市場和博弈論來構(gòu)建的。其基本原理是這樣的：只要滿足特定的計算工作量，任何人都可以在比特幣網(wǎng)絡(luò)添加區(qū)塊，而你所添加的區(qū)塊是否會被其他人認可，則取決于你們所有人是否遵守相同的規(guī)則。完成計算工作量需要支付購買礦機和電費的成本，如果你成功添加區(qū)塊，則可以拿走區(qū)塊獎勵和交易手續(xù)費。而你如果不和其他人使用相同的規(guī)則來添加區(qū)塊，則你的區(qū)塊會被其他人孤立掉，原本屬于你的區(qū)塊獎勵和交易手續(xù)費就沒有了。
工作量證明的這種設(shè)定是讓比特幣網(wǎng)絡(luò)引入一種，只有支付成本才能參與競爭，而參與者遵守規(guī)則才有機會獲得收益，收益往往大于成本，而違反規(guī)則就會損失掉收益白白支付成本。這是一種是以市場為基礎(chǔ)的安全機制，通過自由市場的激勵和懲罰措施來確保參與者都會遵守規(guī)則，從而提供一個可供信賴的網(wǎng)絡(luò)。
工作量證明是這個可信任網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，不包含工作量證明的區(qū)塊鏈產(chǎn)品，如果無法提供一個可替代的安全機制，那就不可以冠于不可篡改這樣的詞。
第3章 為什么礦工會被污名化
工作量證明對區(qū)塊鏈那么重要，但為什么礦工會被如此污名化，基本上整個加密數(shù)字貨幣社區(qū)都認為礦工是邪惡的。
礦工的名聲壞的原因之一就被認為是阻礙區(qū)塊鏈系統(tǒng)升級。這是比特幣在擴容和部署隔離見證這兩項升級過程中被按上的帽子。Core開發(fā)組不想要擴容，只想要隔離見證，而礦工作為一個集體，更希望擴容能被落實。這一場爭論，吵了幾年。Core開發(fā)組和Blockstream公司發(fā)起了大量的對礦工的言論攻擊，其中之一就是礦工阻止比特幣系統(tǒng)升級。
比特幣系統(tǒng)升級，升級是一個褒義詞，但代碼改變的本身并不天然是褒義的。事實上代碼改變，就是礦工添加區(qū)塊的規(guī)則要改變，添加區(qū)塊的規(guī)則是比特幣系統(tǒng)安全機制的目標(biāo)。這個目標(biāo)是通過礦工之間的博弈來實現(xiàn)的，礦工通過博弈來實現(xiàn)規(guī)則的統(tǒng)一。礦工之間的博弈本來就是比特幣系統(tǒng)的安全屬性之一，如果要取消掉礦工的博弈，把添加區(qū)塊規(guī)則交給開發(fā)者說的“升級”，那比特幣的安全屬性就大大下降了，這很可能就會變成了一個不可信任的網(wǎng)絡(luò)。
所以，所謂的礦工阻止比特幣系統(tǒng)升級，本質(zhì)上是比特幣系統(tǒng)的安全機制設(shè)置的目標(biāo)之一。如果一個“好的協(xié)議更改”因為這種安全機制而受到推遲甚至是阻止，這也是這種安全機制的必要代價。
礦工的壞名聲第二大原因就是51%攻擊。如果一個礦工持有超過51%的算力，那他有機會發(fā)起雙花。事實上，這些都是理論上的。而事實操作過程中，因為礦工之間的博弈過程是非常復(fù)雜的，沒有超過75%的算力，想要成功發(fā)起51%攻擊是非常難的。
工作量證明還有一個重大的特性，就是開放性，就是無須任何中心化機構(gòu)的許可就可以加入進來參與博弈。如果有礦工積累到51%的算力，在開放性的設(shè)定下，其他利益相關(guān)者就會加大算力投入，或者分化礦工來消除掉51%攻擊的風(fēng)險。
更關(guān)鍵的是，工作量證明的經(jīng)濟學(xué)設(shè)計是讓遵守規(guī)則收益更大，雙花這種不遵守規(guī)則受到的風(fēng)險極大，除非有巨大的收益，否則沒人干。51%優(yōu)勢算力真正最可能發(fā)生的事是老實挖礦，保護整個網(wǎng)絡(luò)。
還有第三個污化礦工的原因就是浪費資源?，F(xiàn)在pow機制大約每年消耗十億美元的資源。但這不是一個悲劇，這是一個應(yīng)當(dāng)普天同慶的好事。
第4章 批評工作量證明的環(huán)保主義是錯的
PoW機制的生態(tài)，從芯片制造、礦機制造、礦場建造、運輸、耗電……，整個生態(tài)產(chǎn)生了巨大的財富，提供了大量的工作崗位，整個生態(tài)所有人都是收益的，沒有人因為這個生態(tài)受損。只有人因為生意做的不好，競爭不過對手而倒閉，這是自由市場的正常運行的一部分。
PoW挖礦不但提保護了比特幣的價值基礎(chǔ)，而且PoW還提高了全世界的制造業(yè)水平，包括芯片的設(shè)計和生產(chǎn)，PC板的設(shè)計和生產(chǎn)，精密電器的運輸，大規(guī)模電子產(chǎn)品快速部署，廉價能源的利用，廢舊能源的再利用，全球產(chǎn)業(yè)鏈的整合。
你能相信在沒有PoW之前，有一個四川的小水電站民工會關(guān)心遠在美帝國主義國會關(guān)于區(qū)塊鏈的聽證會嗎?你能相信一萬臺價格數(shù)千的電子產(chǎn)品在一天內(nèi)部署完成嗎?你能相信PoW培養(yǎng)了多少即懂計算機、又懂強弱電、還懂經(jīng)濟學(xué)、還學(xué)會了英語……的復(fù)合性人才嗎?……這些是人類最寶貴的財富，因為有了PoW，我們有人類有了共同目標(biāo)，同一個世界，同一個夢想，讓我們圍繞在PoW的光環(huán)下，改變世界吧。
你一定會擔(dān)心，人類的能源有限啊，人類應(yīng)該將能源用在更有意義的事這是環(huán)保主義爆徒，無腦白左。
能源是無限的。你應(yīng)該去四川云南的礦場看一看，問問當(dāng)?shù)厝耍谝荒昵?，那里的水電站是什么情況，我告訴你，是廢棄的，現(xiàn)在呢，機器轟隆隆響，像是給全村人的播放美妙的歌曲，給當(dāng)?shù)靥峁┝穗y于相像的財富。因為PoW的存在，當(dāng)?shù)厝颂岣吡四茉蠢眯?，原本不能用的能源，現(xiàn)在可以用了。大大提高了GDP，當(dāng)?shù)氐膹钠矫癜傩?，到地方父母官，都熱切擁抱PoW帶來的高科技。原本只能外出幾千里地去打工的當(dāng)二狗子，現(xiàn)在在PoW礦場當(dāng)保安主任，自豪地為全世界1%的算力提供保衛(wèi)工作;原本只能在東莞流水線當(dāng)一個毫不起眼的電工狗盛，現(xiàn)在成為礦場主管。使用PoW這項技術(shù)，將原本不是生產(chǎn)力的人，武裝到牙齒，將原本不是能源的水力，變成發(fā)光發(fā)熱的電。我們管這個叫精準扶貧。
PoW是變廢為寶的好東西，不是浪費能源的悲劇。
如果你還不服氣，我再來告訴你，能源是無限的，你抬頭看下那個太陽，我們的太陽，有無限的能源在等著我們開發(fā)，就是我們技術(shù)不行。我們不是應(yīng)該約束人類浪費，而是應(yīng)該追求技術(shù)發(fā)展，開發(fā)出更多的能源供我們?nèi)祟悡]霍。我們就是要用摩爾定律，制造出可以無限浪費的計算機資源，區(qū)塊鏈就是在浪費計算機資源的設(shè)計啊。只要我們繼續(xù)努力，我們?nèi)祟愡t早開發(fā)出戴森球，直接給太陽造一個外殼，包含親愛的太陽，把太陽都浪費掉，用來挖礦。
浪費不是錯，不能提供浪費的條件是我們?nèi)祟惖膼u辱，就像為人父母無法給孩子提供更多的可供浪費的資源是一種恥辱一樣，而技術(shù)的發(fā)展是提高資源生產(chǎn)的第一生產(chǎn)力，而PoW就是推動技術(shù)發(fā)展的集大成設(shè)計。如果你認識不到這一點，你才是悲劇。
第5章 結(jié)束語
有沒有其他安全設(shè)定機制可以取消工作量證明的呢?比如POS?