联盟分析-行业热点| 浅析PoW共识算法中的“矿工困境”

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区块链技术本质上是一种去中心化的分布式账本，共识机制是区块链技术的核心内容。 目前，区块链技术的共识机制主要包括：工作量证明（PoW）、权益证明（Proof of Stake）和委托权益证明（Delegated Proof of Stake）。 不同的共识机制各有优缺点。 其中，采用工作量证明共识机制挖矿的币种包括BTC、ETH等主流虚拟货币。

本文首先介绍了主流虚拟货币共识机制的工作量证明PoW算法的概念，并阐明了工作量证明共识机制的相关概念。 然后分析了工作量证明共识机制“矿工困境”的成因，最后提出了解决PoW算法“矿工困境”的策略。

一、PoW共识算法概述（一）概念

在《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》一文中，工作量证明共识机制表述为“在执行随机哈希运算时引入特定值的扫描工作，例如SHA-256。”哈希值以一个或多个0开头，然后随着0的个数的增加，求解所需的工作量会呈指数级增长，只需​​要一次随机哈希运算就可以检验结果。我们在区域中取一个随机数（ Nonce) 被添加到区块中。这个随机数使得给定区块的随机哈希值出现尽可能多的 0。我们尝试找到这个随机数，直到找到为止。这样，我们就构建了一个证明-工作机制[1]。” 以上是从密码学和共识算法的角度对PoW算法概念的解释，但比较晦涩。

简而言之，PoW 算法是指区块链节点使用大量的电力资源和能源消耗来解决特定的密码学问题并获得新区块的过程。 这些节点称为矿工节点，矿工发现新区块的过程就是挖矿行为。 挖矿收益是指矿工在挖矿过程中获得的区块奖励和手续费收入。 从这种共识机制的运行模式可以发现，随着算力的逐渐提升，个体矿工获取新区块的难度会越来越大，因此一些矿工会联合起来组成算力更大的矿池我的力量。

(2) 相关概念

使用工作量证明共识机制进行挖矿，矿工在争夺记账权的过程中需要明确“诚实矿工和攻击者”、“有效算力和无效算力”等相关概念。

1. 诚实的矿工和攻击者

以比特币矿工为例，诚实的矿工遵循比特币链上的协议。 当发现新区块时，矿工将消息广播到整个网络，让其他节点知道。 它被视为主链[2]。 不遵循相应的区块链协议，在挖出新区块时拒绝将挖出的区块广播给全网其他矿工节点，拒绝接受网络中最长链作为主链的行为通常被称为攻击。 经过。

2、有效算力与无效算力

在工作量证明共识机制中，当矿工挖出的区块没有进入主链，成为孤块时比特币采用了PoW共识算法，矿工在该区块上花费的算力是无效的，即无效算力； 并入主链，成为主链的一部分，矿工花费在区块上的算力就是有效算力，也就是有效算力[3]。

区块内的有效算力主要受区块内主链增长速度和矿工挖矿难度的影响。 需要注意的是，当链上节点都是诚实矿工节点时，区块链上的总算力之和就是所有节点算力之和。 之后，矿工每挖出一个新区块，主链的长度就会相应增加。

二、“矿工困境”的成因及解决办法 （一）成因

在传统的自私挖矿系统中，在挖矿过程中，攻击者对自己挖矿行为的收益有错误的预期，从而导致“矿工困境”。 在多攻击者系统中，攻击者的意外竞争、攻击者拍卖释放挖出的区块、攻击者对自身影响力的高估都是造成挖矿收益预期偏差的原因[4]，同时也将 Putting本身就陷入了“矿工困境”的境地。

(2) 解决方案

为了达到逐渐减少甚至消失攻击者系统中内部攻击者、诚实矿工和外部攻击者之间的联系，减少外部攻击者对内部攻击者收益下降的影响，内部攻击者主要可以找到更好的挖矿攻击策略作为对抗外部攻击者的对策。

目前，一些学者提出了一种使用一些主动发布策略的半诚实挖掘策略。 攻击者可以通过主动发布半诚实的挖矿策略获得更高的收益，从而打破 PoW 算法的“矿工困境”局面[5]。 这样既避免了自己的算力被其他攻击者浪费，又浪费了诚实矿工和其他攻击者的算力来帮助实现自己的利益。

参考

[1] 阮娜，刘汉卿，斯雪明． 基于工作量证明共识机制的区块链挖矿攻击者的“鲶鱼效应”[J]. 计算机学报，2020（01）：177-191。

[2] 同[1]。

[3] 廖浩德，邹晓峰，王兵，肖次元． 模糊随机碰撞工作量证明共识算法[J]． 计算机工程与应用, 2021(03).

[4] 同[3]。

[5] 同[1]。

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