工作量證明（PoW）的內(nèi)部攻擊模型
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會(huì)小白4星評(píng)價(jià)
2020-05-05 15:15:38
雖然，POW算法其實(shí)并沒有協(xié)調(diào)選擇博弈論中的安全性，因?yàn)槎鄶?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(shí)，通常不會(huì)考慮到礦工聯(lián)合攻擊，而是想到購(gòu)買礦工設(shè)備或者對(duì)更重鏈進(jìn)行挖礦。這篇文章主要是談?wù)揚(yáng)oW對(duì)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(jìn)行任何其他形式的合作。
外部攻擊
外部攻擊者購(gòu)買足夠的GPU或者ASIC直到完成對(duì)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(guò)給1個(gè)GUP可挖礦的區(qū)塊鏈增加X哈希力，并且會(huì)讓這個(gè)X哈希算力的GPU礦工從挖這個(gè)區(qū)塊鏈轉(zhuǎn)移到其他區(qū)塊鏈（因?yàn)槿绻贿@樣，攻擊者的鏈就會(huì)獲利變少）。GPU挖掘假設(shè)是一種有效的、完全競(jìng)爭(zhēng)的區(qū)塊鏈?zhǔn)袌?chǎng)。
在這個(gè)簡(jiǎn)單模型”中，對(duì)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(shí)，假設(shè)通過(guò)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?zhǔn)且环N壟斷市場(chǎng)。在另個(gè)簡(jiǎn)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(dòng)攻擊。
事實(shí)上，真實(shí)的情況是介于兩者之間。區(qū)塊鏈GPU礦工市場(chǎng)并不是完全競(jìng)爭(zhēng)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(jiǎn)單：不再討論ASIC，假設(shè)我們就需要T/2的算力，來(lái)攻擊擁有T算力的區(qū)塊鏈。
而且，這其實(shí)應(yīng)該是充分競(jìng)爭(zhēng)”的場(chǎng)景，因?yàn)榈V工在發(fā)現(xiàn)有攻擊者出現(xiàn)的時(shí)候，就會(huì)立刻去挖別的，因?yàn)閰^(qū)塊鏈?zhǔn)艿焦粢馕吨麧?rùn)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(huì)去購(gòu)買足夠的GPU來(lái)獲得T/2的算力，而是購(gòu)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(chéng)實(shí)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(zhǎng)的鏈上挖礦，獲得區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)，和其他礦工競(jìng)爭(zhēng)。
內(nèi)部攻擊者會(huì)將挖礦獎(jiǎng)勵(lì)用于購(gòu)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(lái)增加算力。也就是說(shuō)，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(huì)獲得X（1 + r）的算力。
同時(shí)也假設(shè)最誠(chéng)實(shí)的礦工也投資來(lái)獲得更多算力，但是按照每月1+h的速率增加。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們假設(shè)1 + r > 1 + h。攻擊者都會(huì)想要最大化自己的算力。最誠(chéng)實(shí)的礦工專注于利潤(rùn)。攻擊者也許會(huì)因?yàn)檫@種利益獲得贊助，或者長(zhǎng)期的策略。最誠(chéng)實(shí)的礦工不會(huì)和這個(gè)攻擊者合作，并且不知道有攻擊者的存在（攻擊者會(huì)看起來(lái)是誠(chéng)實(shí)挖礦，但是自私挖礦會(huì)增加r – h的值）。
在N個(gè)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(shí)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(shì)”，并且記為a。所以當(dāng)a^N = （1-p）/p時(shí)，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(guò)N = ln（（1 - p）/p）/ln（a） months月后，進(jìn)行成功的攻擊。同時(shí)，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(jì)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(duì)于內(nèi)部攻擊來(lái)說(shuō)，每個(gè)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(duì)于這個(gè)模型，我們有多少的安全性呢？
了解這個(gè)內(nèi)部”策略的外部攻擊者有選項(xiàng)。如果他們知道他們會(huì)在N個(gè)月后進(jìn)行攻擊，而且他們也知道自己的a是多少，然后他們就會(huì)計(jì)算需要的初始算力比重。也就說(shuō)，他們可以計(jì)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(jì)算所需要的月數(shù)來(lái)獲得他們攻擊目標(biāo)的大多數(shù)算力。
那么區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)讓我們獲得了什么？
增加區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)可以增加購(gòu)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(lái)開始他們的攻擊。
如果將區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)翻倍，那么就會(huì)延遲區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)： ?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(jiǎng)勵(lì)，就可以降低a的值，然而降低了購(gòu)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(qǐng)看另一個(gè)表格。
由于加倍了區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)，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(huì)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(huì)增加（在完全競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的假設(shè)）。
區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)翻倍將攻擊延遲了10個(gè)月。但是，每10個(gè)月增加區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)，這樣來(lái)永久推遲攻擊，代價(jià)非常昂貴。
總結(jié)
其實(shí)這個(gè)模式非常簡(jiǎn)單，假設(shè)攻擊者最初有一定的算力，同時(shí)也能夠按照一定比例來(lái)增加算力，這會(huì)比現(xiàn)在礦工的算力呈指數(shù)級(jí)增加。這是可靠的假設(shè)，因?yàn)槔麧?rùn)和算力呈正比，并且因?yàn)檫@使得數(shù)學(xué)非常可行。
我們可以看到一些數(shù)字，究竟攻擊者需要幾個(gè)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(jiǎng)勵(lì)，他們的攻擊會(huì)被延遲多久。 所以，很明顯如果增加區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)，在這個(gè)模型中，是可以增加網(wǎng)絡(luò)的安全性。假設(shè)，礦工不會(huì)和攻擊者合作，而且攻擊者會(huì)購(gòu)買哈希算力來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攻擊（不論他們是否會(huì)在購(gòu)買后進(jìn)行誠(chéng)實(shí)挖礦）。
但是，這個(gè)模型能否真實(shí)使用，仍然需要證實(shí)。如果有人提出更加合理的a值，那么就會(huì)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(huì)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(píng)價(jià)
2020-05-05 15:16:28
在2014年時(shí)，我參加的大部分會(huì)議是“比特幣會(huì)議”，現(xiàn)在尼瑪，全改成“區(qū)塊鏈會(huì)議”。最搞笑的是，哪怕是礦工大會(huì)，也會(huì)被稱為“區(qū)塊鏈礦工大會(huì)”。
在比特幣會(huì)議里，工作量證明，是不可或缺的一部分，而在區(qū)塊鏈大會(huì)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(wú)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(shuō)區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛诺牡讓蛹夹g(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(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和加密技術(shù)。
這四大技術(shù)很難分出誰(shuí)更重要，對(duì)比特幣來(lái)說(shuō)，缺一不可。雖然現(xiàn)在市場(chǎng)只突顯出區(qū)塊鏈的重要性，但是，離開后面三個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)分片技術(shù)。比特幣最重要的技術(shù)絕對(duì)不是區(qū)塊鏈。
比特幣給世界帶來(lái)的最重要啟示或價(jià)值，并不是帶來(lái)了區(qū)塊鏈這個(gè)技術(shù)。最重要的是比特幣帶來(lái)了一種去中心化的可以穩(wěn)定運(yùn)行的記賬或貨幣體系，這是一個(gè)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(yàn)證交易的系統(tǒng)。我們需要信任的是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
本質(zhì)上，比特幣帶給我們的最偉大的價(jià)值是一“信任機(jī)制”，這種“信任”不來(lái)自特定的個(gè)人，也不來(lái)自特定的主體，不來(lái)自任何一個(gè)第三方中心化的節(jié)點(diǎn)，而是來(lái)自是一種去中心化的網(wǎng)絡(luò)。在這以往是沒有過(guò)的。即我們只需要“信任”這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，只要這個(gè)網(wǎng)絡(luò)不崩潰，我們就可以發(fā)交易、驗(yàn)證交易、作支付、發(fā)行股票、保存財(cái)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(gè)技術(shù)，無(wú)法獲得這樣的信任。
關(guān)鍵的是這種信任機(jī)制是如何建立的?
第2章 為什么我們能信任比特幣這個(gè)去中心化的網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)在各種區(qū)塊鏈項(xiàng)目的廣告，絕對(duì)是技術(shù)發(fā)展史上最夸張的廣告。但凡是一個(gè)區(qū)塊鏈，都敢說(shuō)自己是不可篡改，去中心化，無(wú)需信任，即使它們不包含工作量證明，也不是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(chǎng)和博弈論來(lái)構(gòu)建的。其基本原理是這樣的：只要滿足特定的計(jì)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(huì)被其他人認(rèn)可，則取決于你們所有人是否遵守相同的規(guī)則。完成計(jì)算工作量需要支付購(gòu)買礦機(jī)和電費(fèi)的成本，如果你成功添加區(qū)塊，則可以拿走區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)和交易手續(xù)費(fèi)。而你如果不和其他人使用相同的規(guī)則來(lái)添加區(qū)塊，則你的區(qū)塊會(huì)被其他人孤立掉，原本屬于你的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)和交易手續(xù)費(fèi)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(jìng)爭(zhēng)，而參與者遵守規(guī)則才有機(jī)會(huì)獲得收益，收益往往大于成本，而違反規(guī)則就會(huì)損失掉收益白白支付成本。這是一種是以市場(chǎng)為基礎(chǔ)的安全機(jī)制，通過(guò)自由市場(chǎng)的激勵(lì)和懲罰措施來(lái)確保參與者都會(huì)遵守規(guī)則，從而提供一個(gè)可供信賴的網(wǎng)絡(luò)。
工作量證明是這個(gè)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(wú)法提供一個(gè)可替代的安全機(jī)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(huì)被污名化
工作量證明對(duì)區(qū)塊鏈那么重要，但為什么礦工會(huì)被如此污名化，基本上整個(gè)加密數(shù)字貨幣社區(qū)都認(rèn)為礦工是邪惡的。
礦工的名聲壞的原因之一就被認(rèn)為是阻礙區(qū)塊鏈系統(tǒng)升級(jí)。這是比特幣在擴(kuò)容和部署隔離見證這兩項(xiàng)升級(jí)過(guò)程中被按上的帽子。Core開發(fā)組不想要擴(kuò)容，只想要隔離見證，而礦工作為一個(gè)集體，更希望擴(kuò)容能被落實(shí)。這一場(chǎng)爭(zhēng)論，吵了幾年。Core開發(fā)組和Blockstream公司發(fā)起了大量的對(duì)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(jí)。
比特幣系統(tǒng)升級(jí)，升級(jí)是一個(gè)褒義詞，但代碼改變的本身并不天然是褒義的。事實(shí)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(jī)制的目標(biāo)。這個(gè)目標(biāo)是通過(guò)礦工之間的博弈來(lái)實(shí)現(xiàn)的，礦工通過(guò)博弈來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)則的統(tǒng)一。礦工之間的博弈本來(lái)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(shuō)的“升級(jí)”，那比特幣的安全屬性就大大下降了，這很可能就會(huì)變成了一個(gè)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(jí)，本質(zhì)上是比特幣系統(tǒng)的安全機(jī)制設(shè)置的目標(biāo)之一。如果一個(gè)“好的協(xié)議更改”因?yàn)檫@種安全機(jī)制而受到推遲甚至是阻止，這也是這種安全機(jī)制的必要代價(jià)。
礦工的壞名聲第二大原因就是51%攻擊。如果一個(gè)礦工持有超過(guò)51%的算力，那他有機(jī)會(huì)發(fā)起雙花。事實(shí)上，這些都是理論上的。而事實(shí)操作過(guò)程中，因?yàn)榈V工之間的博弈過(guò)程是非常復(fù)雜的，沒有超過(guò)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(gè)重大的特性，就是開放性，就是無(wú)須任何中心化機(jī)構(gòu)的許可就可以加入進(jìn)來(lái)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(huì)加大算力投入，或者分化礦工來(lái)消除掉51%攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。
更關(guān)鍵的是，工作量證明的經(jīng)濟(jì)學(xué)設(shè)計(jì)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(xiǎn)極大，除非有巨大的收益，否則沒人干。51%優(yōu)勢(shì)算力真正最可能發(fā)生的事是老實(shí)挖礦，保護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
還有第三個(gè)污化礦工的原因就是浪費(fèi)資源?，F(xiàn)在pow機(jī)制大約每年消耗十億美元的資源。但這不是一個(gè)悲劇，這是一個(gè)應(yīng)當(dāng)普天同慶的好事。
第4章 批評(píng)工作量證明的環(huán)保主義是錯(cuò)的
PoW機(jī)制的生態(tài)，從芯片制造、礦機(jī)制造、礦場(chǎng)建造、運(yùn)輸、耗電……，整個(gè)生態(tài)產(chǎn)生了巨大的財(cái)富，提供了大量的工作崗位，整個(gè)生態(tài)所有人都是收益的，沒有人因?yàn)檫@個(gè)生態(tài)受損。只有人因?yàn)樯庾龅牟缓茫?jìng)爭(zhēng)不過(guò)對(duì)手而倒閉，這是自由市場(chǎng)的正常運(yùn)行的一部分。
PoW挖礦不但提保護(hù)了比特幣的價(jià)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(jì)和生產(chǎn)，PC板的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，精密電器的運(yùn)輸，大規(guī)模電子產(chǎn)品快速部署，廉價(jià)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(gè)四川的小水電站民工會(huì)關(guān)心遠(yuǎn)在美帝國(guó)主義國(guó)會(huì)關(guān)于區(qū)塊鏈的聽證會(huì)嗎?你能相信一萬(wàn)臺(tái)價(jià)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(jì)算機(jī)、又懂強(qiáng)弱電、還懂經(jīng)濟(jì)學(xué)、還學(xué)會(huì)了英語(yǔ)……的復(fù)合性人才嗎?……這些是人類最寶貴的財(cái)富，因?yàn)橛辛薖oW，我們有人類有了共同目標(biāo)，同一個(gè)世界，同一個(gè)夢(mèng)想，讓我們圍繞在PoW的光環(huán)下，改變世界吧。
你一定會(huì)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(wú)腦白左。
能源是無(wú)限的。你應(yīng)該去四川云南的礦場(chǎng)看一看，問(wèn)問(wèn)當(dāng)?shù)厝?，在一年前，那里的水電站是什么情況，我告訴你，是廢棄的，現(xiàn)在呢，機(jī)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(cái)富。因?yàn)镻oW的存在，當(dāng)?shù)厝颂岣吡四茉蠢眯剩静荒苡玫哪茉?，現(xiàn)在可以用了。大大提高了GDP，當(dāng)?shù)氐膹钠矫癜傩眨降胤礁改腹?，都熱切擁抱PoW帶來(lái)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(chǎng)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(gè)毫不起眼的電工狗盛，現(xiàn)在成為礦場(chǎng)主管。使用PoW這項(xiàng)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(gè)叫精準(zhǔn)扶貧。
PoW是變廢為寶的好東西，不是浪費(fèi)能源的悲劇。
如果你還不服氣，我再來(lái)告訴你，能源是無(wú)限的，你抬頭看下那個(gè)太陽(yáng)，我們的太陽(yáng)，有無(wú)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(fèi)，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(wú)限浪費(fèi)的計(jì)算機(jī)資源，區(qū)塊鏈就是在浪費(fèi)計(jì)算機(jī)資源的設(shè)計(jì)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(yáng)造一個(gè)外殼，包含親愛的太陽(yáng)，把太陽(yáng)都浪費(fèi)掉，用來(lái)挖礦。
浪費(fèi)不是錯(cuò)，不能提供浪費(fèi)的條件是我們?nèi)祟惖膼u辱，就像為人父母無(wú)法給孩子提供更多的可供浪費(fèi)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(dòng)技術(shù)發(fā)展的集大成設(shè)計(jì)。如果你認(rèn)識(shí)不到這一點(diǎn)，你才是悲劇。
第5章 結(jié)束語(yǔ)
有沒有其他安全設(shè)定機(jī)制可以取消工作量證明的呢?比如POS?