简介 | 区块链中的自私挖矿
工作量证明 (PoW) 区块链实现了一种状态机复制 (SMR) 形式。 不同于传统的SMR协议，PoW区块链是开放的，即任何人都可以加入协议，系统会用经济利益来激励参与者（也称“矿工”）遵守协议。 因此，与传统的 SMR 协议也有很大不同，在论证区块链的安全性时，简单地假设恶意行为者的数量往往得不到答案。 关键是要问矿工是否真的有足够的动力来遵守他们所使用的协议。 这就是本文的主题。
为了使讨论更加具体，我们将讨论的范围限制在中本聪的比特币协议上。 Ling 提供了一些背景知识以太坊私链挖矿难度，以及对恶意对手的安全分析。 在我们的分析中，我们打算将这个系统描述为矿工之间的博弈（game，也叫“游戏”）。
游戏
玩家是生产区块的矿工。 这个游戏是轮流进行的。 在每一轮中，一个矿工可以生产一个区块，其他矿工可以发布这个区块。 同时，游戏中的消息是同步传输的，所以所有矿工都会收到上一轮释放的区块。
这当然简化了现实。 例如，该模型忽略了系统中总算力的缓慢变化，也忽略了偶尔发生的区块冲突（即分叉）（这种情况很少见，但仍然会发生。）。 即便如此，这个模型作为一阶近似已经足够了。
该协议是让每个矿工在最长的链上生产一个区块，或者，如果分叉中的两条链长度相同，他们将遵循最先收到的链。
游戏中的每个玩家都致力于最大化自己的收入——这就是TA的效用函数（utility function）。 具体来说，我们还假设这是一个无限视野博弈，即随着博弈时间不断趋近无穷大，矿工的收益就是其平均出块率。 这意味着根据矿工生产的区块，以加密货币的形式向区块矿工发放奖励。 注意主链外的区块不会进入矿工收益。
重要观察
主链出块比例是对矿工收益的实时模拟。
假设系统中的总算力是静态的，系统每10分钟出一个块，难度调整完成后立即发起攻击。 假设一个区块生成策略会导致网络中一定比例的区块被丢弃。 比如所有矿工出块的20%会在主链外产生，这个比例是稳定的。 所以，虽然这个系统还是每10分钟出一个块，但是只有80%会在主链上出块，也就是说主链的增长速度会变成每12.5分钟出一个块，而不是每10分钟出一个块。 比特币协议每 2016 个区块调整一次难度，因此调整难度所需的时间会比平时更长（12.5×2016 分钟而不是 10×2016 分钟）。
一旦发生难度调整，难度会再次降低，这样主链的出块间隔就会变回10分钟。 这意味着系统整体出块速度更高，每8分钟可出块一个。
因此，如果一个矿工在全网的算力占比为α，主链出块比例为α′ > α，则其每小时收益将与α′成正比（与α不成正比）。
自私挖矿算法
自私挖矿（Selfish Mining）是一种投机性挖矿算法，用于证明上述协议对小矿工不公平（不是均衡）。 我们先来看看自私挖矿的机制，然后讨论自私挖矿为什么以及什么时候会产生这样的效果。
一开始，自私的矿工会像协议所希望的那样在最长的链上挖矿。 但是，一旦TA挖出一个区块，TA会先隐藏这个区块，而不是立即发布，然后在秘密区块之后尝试继续出块，形成“秘密分支”。
同时，其他矿工会延长公链，最终会变长（概率为1），因为他们拥有很大的算力份额。 自私地挖矿的矿工继续扩展他们的秘密分支，直到公共分支落后一个街区。 然后自私的矿工将发布他的秘密分支。
因为秘密分支比较长，对方会认为这是主链。 从此以后，所有人都将追随自私矿工的分支，其他矿工挖出的区块将被丢弃——不理不睬。 让区块矿工一无所获。
但这种策略并非万无一失——自私的矿工从秘密挖矿开始就一直在冒险。 如果TA出一个秘密块，其他矿工也出一个块，TA不能通过公布这个秘密块成为最长链； 相反，它将成为两个相同长度的分支竞争最长的链。
自私的矿工会尝试扩展自己的分支； 为了简化分析以太坊私链挖矿难度，我们假设其他矿工也会尝试扩展自己的分支。 如果TA能抢占下一个区块，TA的分支就会成为最长链，然后下一次攻击会在最长链的末端重新开始。 如果其他矿工产卵，自私的矿工处于劣势（TA 的链更短）。 在这种情况下，TA就会放弃这次攻击，寻找下一次机会。 在这次攻击中，TA的秘密分支会变成更短的分叉，让TA一无所获。
自私挖矿分析
乍一看，这种攻击应该行不通——自私的矿工只有少量的算力，所以他们必须少赢多输。 然而，仔细分析就会发现，情况并非总是如此。 这个博弈可以很自然地描述为一个马尔可夫链（译者注：马尔可夫链，在状态转换的过程中是“无记忆的”，即新一轮的收益与之前任何一轮的收益是不相关的） . 通过计算自私矿工的出块量和其他矿工的出块量，我们可以计算出自私矿工的出块（和收益）在主链上的比例，这实际上是其算力规模的函数。
我们可以看到，算力占比超过1/3的自私矿工可以通过违反协议，实施自私挖矿算法来增加收益。
综上所述
以上分析表明，当自私矿工的算力超过1/3时，自私挖矿策略的收益高于诚实挖矿策略，但这是乐观假设下的结果。 如需更深入的分析（包括较弱的模型和加强协议的途径），请参阅 Financial Crypto 2013 上的论文和 ACM 2018 会议上的论文。
随后的研究，包括最近的一项研究，都使用马尔可夫方法来确定诚实挖矿策略占优势的哈希率阈值（本文中使用的方法也是如此）。
感谢 Ittai Abraham 提供的信息反馈。
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（完）
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原文链接:
https://decentralizedthoughts.github.io/2020-02-26-selfish-mining/
作者: Ittay Eyal
翻译: 阿剑 你可能还喜欢：
