深度：未來當比特幣網絡“無礦可挖”時，如何保障其安全？

眾所周知，比特幣安全模型建立在區塊補貼(block subsidy) 和交易費用(transaction fees) 的基礎之上 (備註：區塊補貼也是通常所說的挖礦獎勵，當前的比特幣挖礦獎勵為，礦工每挖出一個區塊將獲得 12.5 BTC；交易費用也即用戶在發送交易時附帶的願意支付給礦工的一筆交易手續費，用於獎勵礦工來確認該筆交易)。

本文要點總結：

• 比特幣網絡規模越大，就越安全。
• 從長期來看，區塊補貼和交易費用之間將會發生一個自然演進的安全性權衡。隨著比特幣網絡效應的增大，礦工對區塊空間 (block space) 的需求會隨之增加，從而降低了對區塊補貼的需求。當前這種情況這正在發生，且未來趨勢樂觀。
• 比特幣的區塊空間是一種稀缺且獨特的商品。對區塊空間的需求將繼續增加。
• 比特幣交易者的價格彈性很高。即使在交易費用顯著提高的情況下，比特幣區塊空間的需求也將增加。

區塊獎勵

我們知道，大約每10分鐘就會創建一個新的比特幣區塊，區塊中包含新鑄造的比特幣 (即“區塊補貼”) 以及被礦工確認打包的交易 (交易中包含了發送交易的實體支付的交易費用)。新鑄造的比特幣 (區塊補貼) 加上交易費用就是我們通常所說的“區塊獎勵 (block reward)”。

按照比特幣的硬編碼貨幣政策，每個區塊中新鑄造的比特幣數量會隨著時間的推移而減少，最終在 2140 年達到 0%(這種政策也稱為反通脹模式)。在發表本文時，已經有超過 83% 的比特幣被挖出來了，而目前的比特幣年通貨膨脹率 (也即增發率) 僅為3.8%。到 2040 年，99%以上的比特幣都將被挖出。我們來看一下中本聰的闡述：

“事實上，當 (比特幣) 用戶數量增長時，並沒有誰會擔任中央銀行或美聯儲那樣的角色去調整貨幣的供應量。因為我不知道軟件如何能獲知真實世界的物價，因此又將需要一個可信方來確定比特幣的價值。如果有聰明的辦法，或者希望信任某人能積極地管理貨幣供應，使之與某個事物掛鉤，就可以通過編程把規則制定成那樣。

從這個意義上說，比特幣更像是典型的貴金屬。供應量是預定的且價值會變化，而不是改變供應以保持價值不變。當用戶數量增長時，每枚比特幣的價值也隨之增加。它有潛力進入正反饋循環；當用戶數量增加，比特幣價值上升，這會吸引更多的用戶來享受增值的好處。”

——中本聰

中本聰認為為比特幣設定一個“合適的”通貨膨脹率是不可能的 (因為存在“Local Knowledge (局部知識)”的問題)，而且這也會引入一個政治攻擊載體，所以中本聰決定將人類決策從這個過程中移除。每當貨幣政策發生變化或修改時，人類治理就會重新參與到系統中使當前的貨幣供應失效，這最終會導致網絡的社會擴展性降低，增加網絡分裂和分歧的風險。因此，中本聰認為一個可預測的貨幣政策是至關重要的：比特幣注重長期的穩定性和透明度，這給投資者和開發者帶來了信心。

換句話說，比特幣的固定貨幣政策有效而直接地解決了一個產權問題：如果沒有固定的貨幣供應上限，那就無法確定任何特定的持有者總共佔有多少貨幣份額；其結果是，隨著時間的推移，可更改的供應政策幾乎總是會削弱個人對貨幣持有份額的所有權。由於比特幣供應上限解決了這一產權問題，因此這些貨幣往往會升值。

本文不會深入分析比特幣的貨幣政策，因為作者認為這將需要很長的篇幅加以論述。

那為什麼這種固定的貨幣政策很重要呢？區塊獎勵能夠激勵礦工保護網絡安全。隨著比特幣的通脹率 (即增發率) 趨向0，礦工將只能不斷地通過交易費來獲取收入。有些人擔心，僅憑交易費無法為礦工提供足夠的報酬，而在存儲大量財富時，安全和信任都是至關重要的。

比特幣的通脹率 (橙線)vs 被挖出的比特幣數量 (藍線) 變化曲線圖

比特幣的安全模型

“幾十年之後，當挖礦獎勵過低時，交易費用將成為礦工的主要報酬。”

——中本聰

當前的比特幣 UTXO 集 (即未花費交易輸出的集合) 模型和新的區塊是藉助博弈論和物理學來加以保護的。比特幣使用 PoW 機制來確保很難修改賬本，這消除了信任的必要，同時為任何潛在的攻擊者帶來了外在成本。礦工購買硬件 (資本支出) 和電力 (經營費用)，並希望通過消耗工作量 (哈希) 來獲取相應的區塊獎勵。從經濟角度來說，區塊獎勵能夠激勵礦工行為得當 (也即不做出損害整個網路的行為)。

隨著 BTC 價格的上漲，區塊獎勵的價值也隨之增加，這就激勵礦工在挖礦過程中引入更多的算力 (hashrate)。加密貨幣網絡的全網算力越高，51%攻擊的代價也就越高。這種攻擊預算保護比特幣網絡免受51%的攻擊。

在比特幣網絡的早期階段，比特幣礦工獲得的區塊獎勵中，區塊補貼要遠高於交易費用。由於比特幣的反通脹貨幣政策，大約每四年，比特幣的區塊補貼 (block subsidy) 就會下降50%(也即我們所說的挖礦獎勵減半：最開始的挖礦獎勵是 50 BTC，2012年11月比特幣發生第一次挖礦獎勵減半，降至25 BTC，2016年7月發生第二次挖礦獎勵減半，降至12.5 BTC。預計比特幣將於2020年5月發生第三次挖礦獎勵減半，降至6.25 BTC)。

區塊補貼下降往往會造成波動性和價格上漲：如果比特幣需求保持不變 (或增加)，那麼比特幣供應的減少就意味著市場的供不應求，從而帶來價格上漲。這種效應能夠帶來新的投機者，這也是比特幣設計的美妙之處之一，因為供應衝擊提高了人們對比特幣的認識。正如中本聰所說的那樣：

“當用戶數量增長時，每枚比特幣的價值也隨之增加。它有潛力進入正反饋循環；當用戶數量增加，比特幣價值上升，這會吸引更多的用戶來享受增值的好處。”

——中本聰

比特幣挖礦獎勵已經經歷了兩次減半，第三次預計在2020年5月發生。

雖然區塊補貼 (挖礦獎勵) 和交易費用代表著相同的安全預算，但二者迥然不同。就區塊補貼來說，其不斷下降的趨勢的價值在於，它即是作為一種發行新的 BTC 的合理方式，也是比特幣協議中內置的一種擴散 FOMO (害怕錯過的情緒) 的循環，能夠增加比特幣信仰者的數量和網絡效應。同時，區塊補貼進一步擴展了礦工通過僅提供網絡安全保護就能獲得交易費用的需求，這就是為何將之稱為“補貼”的原因。

從長期來看，雙方之間將會出現一個自然演進的權衡：隨著網絡效應變得更大，礦工對區塊空間 (block space) 的需求將隨之增加，從而減少了對塊補貼的需求。雖然我們不知道為什麼中本聰如此明確規定了比特幣的發行規劃，但我們可以推測：每隔四年才進行挖礦獎勵減半，這對於相關規劃和搭建工作預留了足夠長的時間。要知道，在同樣長的時間裡，美國整個國家也是給予了每任總統四年的時間讓他推動整個國家的發展。

通過下圖由 Awe & Wonder 提供的建模我們可以看出，大約在2030年，比特幣的交易費用將開始呈現出佔據區塊獎勵中的重要部分 (見下圖中的黃色虛線)。當交易費用長期地 (按年度記) 佔據區塊獎勵的50%以上時，比特幣就發展到了更多地依靠交易費用 (而非區塊補貼) 來繼續運行下去了。

Awe and Wonder 提供的圖表和預測

比特幣的批評者經常認為，單憑交易費用無法為比特幣提供足夠的安全保障。但適當的安全級別是如何定義的呢？這是非常主觀的，因為人們等待的交易確認次數取決於交易的大小和網絡的健康狀況。然而，儘管存在主觀性，我們還是應該嘗試去計算比特幣的安全級別。在麻省理工學院比特幣會議 (MIT Bitcoin conference) 上，Nic Carter 提出了幾種量化足夠的安全預算 (security budget) 的方法:

• 閾值(Threshold)：在一定的安全性支出水平上，比特幣被認為是安全的；
• 存量(Stock)：安全性支出應該與比特幣本身的價值掛鉤；
• 流量(Flow)：相對於交易量的交易費用必須很大；

作者認為，衡量安全性的最佳標準是所佔存量 (stock) 的百分比，這一百分比最終會達到一個閾值水平。存量比流量更有意義，因為隨著 ASIC (專用挖礦芯片) 效率的下降，礦工將越來越專注於長期運營。最終，比特幣的安全性將達到某個閾值水平，即使是最富裕的國家也很難打破這一閾值。

以美元當前的價值計算，數千億美元的將是一個足夠的安全預算，因為對於一個政府來說，耗費如此巨大的資金量來對比特幣發起51%攻擊是非常困難的，此外政府還必須公開回應這樣的攻擊，因為其公民 (納稅人)、企業和銀行都將投資於比特幣。

值得注意的是，51%攻擊並不能“殺死”比特幣，因為你仍舊無法輕易地逆轉歷史交易。

最後，如果在遭遇持續51%攻擊的最壞情況下，則必須保留 UTXO 集 (即未花費交易輸出的集合)。如果 SHA256 算法必須被拋棄，那就放棄吧。在這種情況下，比特幣可能會轉向採用另一種已經擁有成熟市場的挖礦算法——這將使所有國家的挖礦設備失效。作者想說明的是，這將是最後的努力，雖然並不能保證一定會成功，但這種情況所帶來的後果可能會阻止一個國家嘗試這樣的攻擊。

值得注意的是，PoW 機制不僅僅是將51%攻擊最小化，而且也能實現其他目標 (見下圖)，並提高網絡效應，同時還確保了創造 BTC 的成本是非常高昂的。

比特幣算力不僅使51%攻擊最小化，同時也能夠：

• 允許節點對單一全局狀態達成共識；
• 確保偽造 BTC 非常困難；
• 界定每一枚 BTC 的成本，並將該成本作為比特幣價值的代理。

區塊空間是一種稀缺而獨特的商品

我們可以將“挖礦”視為購買某個區塊的一部分。打個比方，平均每10分鐘就會有固定數量的土地被創造出來，那些想要交易的人會競標這塊地的一部分。出售這塊土地就是支撐礦工繼續挖礦並維護比特幣網絡安全的動機，即便是當比特幣的通脹率為零 (也即所有比特幣都被挖出)。

這塊土地的價格是由交易的需求決定的，因為土地的供應是固定的、已知的。基本前提就是，如果比特幣網絡被使用 (也即存在交易需求)，那麼驗證/保護網絡的礦工就會獲得獎勵。

有些人認為山寨幣的區塊空間可以替代比特幣的區塊空間。然而，我們有很多方法可以推翻這種論斷。比特幣這塊房地產是優質房地產 (例如，不管德克薩斯州的米德蘭市的土地有多便宜，它永遠都不會擁有舊金山那樣的視野或社交網絡，因此它需求就註定會更少)。比特幣區塊空間的獨特價值在於其安全、兌換、波動性和協調等方面的成本。

01. 安全成本(security costs)：比特幣是最安全的加密貨幣網絡 (這得益於其累計的總算力)。這將為安全地進行高額比特幣交易創造市場，比如央行、政府、企業及其他大額價值支付用戶，都將樂意支付非常高的交易費用。這也正是其他的區塊鏈 (比如 Verblock) 藉助比特幣的強大安全性來進行鏈上交易的原因。

02. 兌換成本(exchange costs)：當交易發送方和接收方都希望將比特幣作為存儲價值，但又需要將其轉移時，如果發送方將 BTC 兌換成某種山寨幣，然後將山寨幣發送給接收方 (手續費會更低)，之後接收方再將山寨幣兌換成BTC，在這個過程中會產生摩擦。在兌換手續費 (0.1-4%之間)、價差 (山寨幣流動性更低，因此價格更低) 以及涉及的兩次 BTC 與山寨幣的交易費用之間，會存在一個無差別點 (indifference point)，如果超過了這個點，則更好的方式則是直接發送 BTC 並支付一定數額的 BTC 手續費。如果比特幣是一種非常好的價值存儲手段，那也會因為這一理由而使 BTC 內部的交易增長。

03. 波動性成本(volatility costs)：人們往往會忽略將波動性成本。波動性成本取決於你的持有周期，山寨幣通常比 BTC 有著更高的價格波動性，這使得其波動性會隨著交易規模的增加而使用戶承擔更高的交易成本。請看下方的例子：

• LTC: $10 交易價值 + 10% 波動性 + 0.01 手續費 = $1.01
• BTC: $10 交易價值 + 1% 波動性 + 0.20 手續費 = $0.30
• LTC: $100 交易價值 + 10% 波動性 + 0.05 手續費 = $10.05
• BTC: $100 交易價值 + 1% 波動性 + $1.00 手續費 = $2.00

從上方的例子可以看出，更高的價格波動性往導致更高的交易成本。

04. 協調成本(coordination costs)：並不是所有種類的加密貨幣都將倖存下來。世界將會存在一個有限的競爭性區塊空間市場。這是因為我們的思維是有限的，我們將不會願意在頭腦裡想著250多種加密貨幣名稱、250多種交易費用和對應的250多種不同的價格，並且每當我們想要進行價值轉移時，都還得去選擇最便宜的價格。我們的大腦最多隻能支持理解2到3種加密貨幣的價值，而且在一定程度上，我們可以很輕鬆地交替使用它們。此外，由於比特幣的 HODLers 對於交易 BTC 方面有著很強的偏好，多貨幣主義者 (multicoiners) 將被迫使用比特幣進行交易。比如，Square、Bakkt 和 Fedility 目前只支持比特幣交易。

最後，比特幣核心軟件正與傳統的成熟生態系統進行相競爭。這增加了比特幣獨特的區塊空間的價值，因為有更多的開發者和企業在研究和依賴比特幣的代碼。

鑑於以上所有因素，未來加密貨幣的數量將是有限的，區塊空間和交易量也將是有限的。這意味著轉移價值的成本將按價值和安全需求的比例在倖存的區塊鏈之間進行分配，換句話說，對某種價值及其安全性的需求越高，該條鏈上被分配的交易轉移成本 (即交易手續費) 也就越高。但最終，每種山寨幣提供的安全模型都更低，風險也更高。

但是，作者認為很大一部分加密貨幣支付都是出於人們的好奇心而產生的，雖然作者沒有什麼數據來支持這種說法 (並且這是相當主觀的說法)。要知道，與傳統的支付方式相比，使用加密貨幣支付更困難、更昂貴、也更緩慢。儘管如此，比特幣的基礎層是為一個全新的全球貨幣體系建立最強大的基礎，而不是創建另一個類似 Venmo 的支付平臺。

上圖中，當前“spend bitcoin (消費比特幣)” (藍線) 幾乎沒有顯示出來。

上圖：用戶並不期待使用任何加密貨幣來購買商品，否則即便其價格有波動，我們依舊可以看到“spend bitcoin (消費比特幣)”出現上漲趨勢，而實際情況是並沒有出現上漲。

交易需求

“我確定20年後，比特幣要麼有很大的交易量，要麼沒有交易量。”

——中本聰

另一個擔憂是，隨著比特幣交易費越來越高，用戶將避免進行交易，以避免支付交易費用。然而實際上，我們看到情況並非如此 (見下圖)：隨著交易/交易量的增加，交易費用也隨之增加。

價格彈性

“可以將交易費當成保險費，你支付的是安全保障。”

—— Ari Paul

比特幣交易者需要支付的手續費在很大程度上是由發送的支付類型的本質決定的，即比特幣是一種不可篡改的價值存儲手段 (SoV)。在2017年比特幣網絡最擁堵的時候，平均交易費用為38美元。在這段時間裡，我們見證了交易費用高於區塊補助的情況。下面我們比較一下交易 SoV 的成本：

01. 電匯法幣

就美國的銀行而言，平均的國內電匯費用為30-40美元，國際電匯的平均費用為65-80美元 (不管是轉入還是轉出)。

02. 離岸銀行 (7萬億的市場)

“每月的離岸銀行賬戶維護費從20美元到100美元不等。電匯手續費通常從25美元到75美元不等。”數據來源：

https://www.offshorecompany.com/banking/costs/

03.房地產 (250萬億的市場)

“2017年4月至2018年3月，中國買家購買了40,400套公寓，總價304億美元。他們每次購買的平均花費為 439,100 美元。”數據來源：

https://www.gbreb.com/GBREBDocs/GBAR/News/Informer/2018/2018-profile-of-international-transactions-in-us-residential-real-estate-07-26-2018.pdf

04. 實體黃金交割 (7.5萬億的市場)

ETC (以太坊經典) 的開發團隊成員 Donald McIntyre 曾經要求德國央行提供有關紐約聯邦儲備銀行將300噸黃金 (當時價值120億美元) 從紐約轉移到法蘭克福的信息，得到的回覆時這項交割花了三年時間，成本支出為 480 萬美元。

對於更小數量的黃金交割而言，可能需要繳納保險、運費，或者取/送過程中的物理防護成本等等，預計成本至少在10-100美元之間。

增加交易密度

加密貨幣分析公司 Coinmetrics 聯合創始人 Nic Carter 曾在 MIT (麻省理工學院) 的演講強調了兩種提高交易需求的方法：增加交易的經濟或語義密度(economic or semantic density of transactions)。語義密度是指讓其他區塊鏈將數據嵌入比特幣區塊鏈之中，比如 Veriblock。經濟密度是關於增加 Layer 1 的交易類型，具體如下:

01. 隱私保護

“Schnorr 簽名 (一種旨在提高比特幣交易隱私和效率的新簽名方案，有望取代當前比特幣交易採用的橢圓曲線數字簽名算法 (ECDSA)) 可以創建新的交易類型，打破區塊鏈分析中廣泛使用的試探法 (heuristics)，並且使得幾乎不可能通過查看區塊鏈來定位特定的實體，同時通過聚合簽名允許每個區塊擁有更大的交易密度。”

—— Lucas Nuzzi

02. Layer 2 (比如閃電網絡)

隨著比特幣在擴展性方面取得的進展 (Layer 1 的 Schnorr 簽名算法，Layer 2 的閃電網絡等等)，比特幣網絡將變得越來越有效率，推動著鏈上使用率的提高。Jevon 悖論直觀地預測了這一點--隨著汽車燃油效率的提高，每年汽車行駛的里程也會增加。Layer 2 將支持大量的低成本小額交易，而 Layer 1 則代表著大額交易的更高成本結算層。

隨著基於閃電網絡的業務和 Lapp (Lightning app，即閃電網絡應用程序) 的搭建，這些業務和 Lapp 的運營成本的很大一部分將是管理支付通道。這將確保些運營商在支付通道中調整交易雙方的資金餘額 (rebalance)，以及優化通道的交易量 & 連通性時，對 Layer 1 結算存在持續的需求。在鏈上，區塊空間是額外的費用，因此交易需要支付一筆將該交易登記在區塊空間之中的費用；在鏈下，流動性是額外的費用，因此交易將根據通過通道傳輸的金額收取費用 (因為這涉及到交易雙方餘額的重新調整)。換句話說，鏈上交易和鏈下交易有不同的收費模式，它們是相輔相成的。在鏈上，不管交易價值多少，交易費用都是不變的；在鏈下，交易費用是按照交易價值的百分比進行定價的。鏈上交易和鏈下交易的費用存在一個交叉點，在這個交叉點上，相比於在 Layer 1 上進行交易，高價值交易在閃電網絡上進行將需要支付更高的成本費用。

我們已經看到了有關閃電網絡正在增加 Layer 1 的使用率，即便是在高度實驗性的階段也是如此。2019年2月創建了一個區塊，其中25%的交易都是基於閃電網絡通道完成的。這是可檢測的，因為閃電網絡使用隔離見證 (SegWit) 來進行延展性修復，所有打開的閃電網絡通道都是隔離見證交易。*

03. 抗量子計算

“抗量子計算技術的採用也將帶來更大 (和成本更高的) 的交易。後量子加密算法需要更大的密鑰尺寸 (key size)，這反過來又增加了交易中非見證數據的大小。”

——Lucas Nuzzi

04. 總體而言

經驗證明，未來幾十年，交易費用總收入將緩慢上升，並與區塊補貼相持平。基於這些數據，對交易費用將無法取代區塊補貼的擔憂無疑有些言過其實。

下圖顯示交易費用 (黃線) 佔區塊補貼的百分比的趨勢圖 (未來將趨向100%，也即交易費用完全取代區塊補貼)。

圖表由 Awe & Wonder 提供

正如 Alex Sunnarborg 所指出的，只有比特幣和以太坊才有足夠多的交易費用來補償礦工在無通脹(增發) 情況下的損失。任何其他網絡都不太可能有競爭力。

主流區塊鏈平臺 (BTC vs ETH) 的每日交易總費用變化圖，來源 | CoinMertrics

安全的穩定性

“交易費用的波動性也許會導致算力相應地大幅波動。”

—— Nick Szaboq

一個合理的擔憂是，在未來純粹由交易費用支撐的安全模型中，現金流 (cash flows) 將出現波動。交易費用是以市場為中心的，這意味著它們會隨著供求關係的變化而上下浮動。基本假設是，交易費用帶來的現金流將是不穩定的，這使得網絡不那麼安全。在這方面，Dan Mcardle 總結得很好：

礦工喜歡的是穩定的現金流 (cash flows)，這就是他們加入礦池的原因。他們不玩短期遊戲來贏得某個區塊，而是將挖礦獎勵社會化。

最糟糕的情況就是挖礦獲得的交易費用不穩定，但這實際上並不會破壞整個系統，只是在交易費用增長到一定程度之前，交易確認將需要更長的時間。由於需要採取時間上的優先選擇，實體 (企業或個人等) 將會增加手續費來進行迴應，以應對確認時間過長的問題。

此外，在過去的幾年裡，按實際價值計算，區塊補貼已經非常不穩定，但是挖礦行業仍然保持著強勁和穩定的勢頭——即使區塊補貼的價值下降了80%。這種“不穩定”還尚未影響到整個比特幣網絡，並且隨著市場不斷成熟，挖礦行業將繼續變得對交易費用的大幅波動更具彈性。

未來，礦工可能會提前拍賣未來區塊中的“土地”，這可能會對他們的收入起到穩定作用 (就像農民出售農產品期貨一樣)。其基本前提是，如果比特幣的使用不斷增加，未來區塊空間的自由市場將對區塊空間進行正確定價。

最後，如果這是一個市場無法自然修正的主要問題，我們可以在比特幣協議中做一些小的修改，以使礦工的交易費用收入更加平穩。然而，這將使基礎協議更加複雜，而比特幣協議背後的博弈論還尚未得到充分的研究。

結語

上文已經討論了足夠的安全級別意味著什麼，比特幣的主要 (不可複製的) 區塊空間，交易需求，區塊補貼不存在時將發生什麼，以及安全的穩定性。隨著比特幣的通脹率趨向0，礦工將只能不斷地通過交易費來獲取收入。隨著網絡效應變得更大，礦工對區塊空間 (block space) 的需求將隨之增加，從而減少了對塊補貼的需求。當然，如果未來10年內比特幣沒有經濟 (交易) 量，或許它也會失敗。

比特幣這場實驗已經持續了10年，過去經歷的環境儘管嚴峻，但所有的數據都顯示著我們完全有理由相信它將繼續繁榮下去。

備註：原文篇幅過長，為了便於閱讀，譯者在翻譯是對原文有所刪節。

原文鏈接：

https://blog.picks.co/bitcoins-security-is-fine-93391d9b61a8

作者 | Dan Held

編譯 | Jhonny