摘要：作為加密數(shù)字貨幣的開山鼻祖，比特幣合理的激勵(lì)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(jiǎng)勵(lì)是。目前的號(hào)提案計(jì)劃將基礎(chǔ)獎(jiǎng)勵(lì)調(diào)整至。在的共識(shí)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(lì)設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

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(gè)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(duì)區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)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(duì)于一個(gè)基于工作量證明的公鏈來說，通過設(shè)計(jì)合理的激勵(lì)機(jī)制，來鼓勵(lì)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(lì)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(gè)區(qū)塊，就可以獲得一定數(shù)額的 區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì) 。最開始這個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)數(shù)額是 50 BTC, 之后每挖出 21 萬個(gè)區(qū)塊，比特幣的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)就減半。目前比特幣的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)是 12.5 BTC。 預(yù)計(jì)在 2020 年夏天，比特幣的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)將降至 6.25 BTC。

除了區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)，比特幣礦工的另一個(gè)收入來源是交易費(fèi)。每個(gè)用戶在發(fā)起一筆交易時(shí)，需要支付一筆 交易費(fèi) 。每個(gè)比特幣區(qū)塊中所有的交易費(fèi)會(huì)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(jiǎng)勵(lì)是礦工主要的收入來源。隨著時(shí)間的流逝，當(dāng)比特幣的用戶越來越多，區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)也經(jīng)過多次減半后，交易費(fèi)將取代區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)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(jiǎng)勵(lì) 12.5 BTC。

以太坊的礦工收入主要也包含 區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì) 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(jiǎng)勵(lì)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(jiǎng)勵(lì)是 5 ETH。在 2017 年名為拜占庭的硬分叉中，649 號(hào)提案被激活，基礎(chǔ)區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)調(diào)整為 3 ETH。目前的 1234 號(hào)提案計(jì)劃將基礎(chǔ)獎(jiǎng)勵(lì)調(diào)整至 2 ETH。

2.為了適配智能合約的場(chǎng)景，用戶在以太坊中發(fā)起交易時(shí)，不直接指定交易費(fèi)，而是指定一個(gè)交易費(fèi)單價(jià)，被稱為燃料價(jià)格(gas price)。 交易實(shí)際執(zhí)行時(shí)的計(jì)算量就是消耗的燃料，燃料用量乘以燃料價(jià)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(huì)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(gè)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(gè)“叔塊”。每個(gè)區(qū)塊每選擇一個(gè)叔塊，可以額外獲得基礎(chǔ)區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì) 1/32 的獎(jiǎng)勵(lì)。而被主鏈區(qū)塊選中的叔塊，其中的交易不會(huì)被執(zhí)行，但也可以獲得一定的獎(jiǎng)勵(lì)，具體數(shù)值是：

(8+叔塊高度-主鏈塊高度)/8*基礎(chǔ)區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)

接下來，我們以 Conflux 共識(shí)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(lì)機(jī)制設(shè)計(jì)上有什么新的挑戰(zhàn)，以及如何應(yīng)對(duì)。

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(jiǎng)勵(lì)方案會(huì)存在一些問題。

在 Conflux 的共識(shí)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(shí)，都可能會(huì)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(gè)區(qū)塊的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)是一個(gè)固定值，將會(huì)面臨一個(gè)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(gè)攻擊者正在嘗試挖一條分叉鏈，以此來與主鏈競(jìng)爭(zhēng)。如果競(jìng)爭(zhēng)失敗，整個(gè)分叉鏈會(huì)被丟棄，攻擊者拿不到任何獎(jiǎng)勵(lì)。在這個(gè)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(jià)的。

但如果一個(gè)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(jiǎng)勵(lì)。這是因?yàn)?Conflux 會(huì)保留所有的區(qū)塊，固定區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)意味著攻擊者不會(huì)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(gè)問題雖然不會(huì)危及鏈的安全性，但是會(huì)影響交易被確認(rèn)的時(shí)間，也會(huì)使 DAG 結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，從而增加每個(gè)礦工的工作量。我們不希望看到，由于激勵(lì)機(jī)制沒有對(duì)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?cè)谠O(shè)計(jì)激勵(lì)機(jī)制的時(shí)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。

下圖中以一個(gè)例子，說明了一個(gè)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(gè)機(jī)制，就要先講一個(gè)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(gè)區(qū)塊之間沒有一條路徑，這兩個(gè)區(qū)塊的互為對(duì)方的 “光錐外區(qū)塊”, 比如在下圖中，B 和 C 互為對(duì)方的光錐外區(qū)塊。

一個(gè)區(qū)塊的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)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(jiǎng)勵(lì)越少。當(dāng)壞人挖出一個(gè)新區(qū)塊時(shí)，那些假裝沒看見的區(qū)塊，都會(huì)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(jiǎng)勵(lì)，對(duì)壞人造成經(jīng)濟(jì)上的懲罰。

由于 Conflux 采用了 DAG 結(jié)構(gòu)，因此不同的區(qū)塊中可能會(huì)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(gè)和激勵(lì)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(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)礦工遵守上一條規(guī)則

在比特幣和以太坊系統(tǒng)中，每個(gè)礦工會(huì)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(huì)導(dǎo)致每個(gè)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(huì)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(gè)問題，一個(gè)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(jí)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(jí)。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(huì)根據(jù)交易費(fèi)為每筆交易計(jì)算一個(gè)權(quán)重，礦工根據(jù)權(quán)重從交易等待池隨機(jī)選取交易。

交易隨機(jī)選擇策略可以在很多交易都處于等待的狀態(tài)時(shí)，很好地解決交易重復(fù)的問題，同時(shí)還可以兼顧高交易費(fèi)交易的優(yōu)先級(jí)。但這樣的策略為激勵(lì)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(huì)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(gè)區(qū)塊中的交易費(fèi)由該區(qū)塊的礦工全部拿走，每個(gè)礦工的最優(yōu)策略將會(huì)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(gè)博弈論機(jī)制設(shè)計(jì)問題。我們將每個(gè)節(jié)點(diǎn)打包交易的過程抽象成一個(gè)博弈問題并進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，如果在多個(gè)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?zèng)_突來最大化各自的收益。每個(gè)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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