不可能三角形:安全,环保,去中心化

作者:长铗

发布时间:2014年2日4日

网络来源:巴比特

每天,比特币采矿需要消耗1000兆瓦时电力,足以为3万美国家庭供电。比特币消耗巨大能源却用来解一堆毫无意义的数学题,这一设计思想一直饱受批评。中本聪在这个问题上只字不言,也许他根本不认为这是个问题。这确实不是个问题,一个转账交易量超过西联汇款的电子现金支付系统每天消耗大强子对撞机所需电力的一半,如果这都算浪费,那么为国家荣誉而战的超级计算机们简直是暴殄天物了。矿工们不惜成本挖矿,是因为这一行为有利可图,如果比特币市场缩小到PPcoin的规模,矿工自然会停下他们发烫的机器,正如淡季到来,澳大利亚皮尔巴拉矿区采掘机也闲着生锈一样。如果比特币一文不值,矿机也会像萤火虫一样节能。

虽如此,仍有不少永动机爱好者孜孜以求创建环保型密码学货币,采用权益证明(PoS)的PPCoin可算其中的代表。其发明人Sunny King认为目前加密货币已经分道扬镳为两条道路,一种是能源密集型,一种是环保节能型。在未来较长一段时间内(5年以上),环保节能型货币将因其成本优势开始挑战能源密集型货币。Sunny King自称在2011年10月就独立发现了PoS及币天(Coindays)的概念[i],然而正如工作量证明(PoW)其实并非中本聪发明(早在1998年,尼克·萨博就提出了工作量证明的思想,用户通过竞争性地解决数学难题,然后将解答的结果用加密算法串联在一起公开发布,构建出一个产权认证系统)。PoS也并非Sunny King原创,这一概念由QuantumMechanic于2011年7月11日在社区提出,投票权不再来自矿工的计算力,而是积累在可信任的代表中,新的比特币与交易费可随机或定期分发给这些代表[ii]

 

Cunicula认为,中本聪没有采用PoS的原因是在2009年之前,没有能安全地与密码协议互动的数字财产。Paypal和在线信用卡支付都已经出现大概超过十年了,但是这些系统都是中心化的,因此为它们创造的权益证明将会给Paypal 和信用卡的提供商作弊的机会[iii]。Cunicula其实点出了问题的关键,这些既环保又安全的数字财产认证方式是由一个可靠的第三方来提供,它们毫无例外都是中心化的。改头换面以P2P形式出现的PPcoin、Nextcoin,它们同样无法回避中心化问题,它们将验证全网交易寄托在拥有最多币的那些人身上。

 

PoS的迷惑之处在于,它是一个表面上的去中心化系统,人人都可以挖矿,你为维护网络安全而得到的回报,只和你持有的币天(币的数量*天数)有关系,而与计算机性能无关。

 

一个理想的去中心化安全验证系统,应该让用户心甘情愿的打开客户端,去验证交易,否则,该系统将不可持续。比特币是通过挖矿激励来实现这一机制,PoS同样也设置有激励,它不要求验证者完成一定数量的计算工作,而是要求验证者对某些数量的钱展示所有权。Sunny King甚至认为PoS具有哲学上的美感,因为货币本身即意味着对过去的“工作量证明”,故PoS取代PoW在逻辑上是成立的。

 

Sunny King在此犯的错误是,在PoS模式下,人人挖矿不可持续,它势必跌入一个赢家通吃的黑洞之中。假设电力成本均为3币,大户持有10000币天获得100个利息币,小户持有100币天,获得1利息币,大户得到的币会比小户多得多,如此以来,小户将倾向于关掉客户端,大户则倾向于囤积币天,并获得更多的利息币,这是一个致命的均衡(表1)。

 

小户大户

开机

不开

开机

97,-2

97,0

不开

0,-2

0,0

表1  PoS博弈收益矩阵

 

PoB的工作方式类似,如果你不使用这些币,它们会在不可用的交易中被销毁。过一段时间,它们会被用来创造一个新的区块。如果你打开客户端验证交易,就会获得新币或者手续费,这笔收入大于已销毁的币的价值。假设电力成本均为3币,大户持有10000币在一段时间内将损失100币,小户持有100币,在相同时间内将损失1币。而进行挖矿的话,大户将得到120币,小户将得到2币。如果你是大户,将不得不长年打开客户端挖矿,如果你是小户,将乐于袖手旁观,搭大户的顺风车(表2)。

 

       小户

大户

开机

不开

开机

17,-2

17,-1

不开

-100,-2

-100,-1

表2  PoB博弈收益矩阵

 

由以上分析可见,PoS、PoB、PoD系统并非真正意义上的去中心化货币,它们均存在设计上的致命均衡,即导向中心化的大户挖矿模式。它们其实是智猪博弈[iv]的变体,假设猪圈里有一头大猪、一头小猪。猪圈的一头有猪食槽,另一头安装着控制猪食供应的按钮,按一下按钮会有10个单位的猪食进槽,但是谁按按钮就会首先付出2个单位的成本,若大猪先到槽边,大小猪吃到食物的收益比是9∶1;同时到槽边,收益比是7∶3;小猪先到槽边,收益比是6∶4。那么,在两头猪都有智慧的前提下,最终结果是小猪选择等待(表3)。无论大猪是选择行动还是等待,小猪的选择都将是等待,即等待是小猪的占优策略。在环保型货币中,验证交易的回报正比于用户的货币持有量(或币天),而与电力(或计算力)成本无关,故无论大户是选择开机还是关机,小户的最优策略都是关机。

 

小猪大猪

行动

等待

行动

5,1

4,4

等待

9,-1

0,0

表3 智猪博弈收益矩阵

 

我的朋友鲁斌质疑说,“大户的币越来越多,但是他们相对货币总量的占比并没有改变,因为所有人的币都是同等比例地在增加”。我所要补充的是,人的需求并不是一个线性函数,而是一个凸函数,效用的增加率随收益的增加而递增(图1)。打个比方,同比例发钱,富人可以领10000币,穷人可以领1币,条件是打开客户端,那么很显然,穷人没有足够的欲望去领钱,富人却乐在其中,这同样会导致中心化。像我这样只有几百PPC的,打不打开客户端无所谓,但对那些拥有10万PPC的人来说,打不打开客户端区别大了。

 

图1 PoS机制打开客户端的效用函数曲线

 

对此,比特币基金会首席科学家Gavin Andresen一语中的,他在twitter表示:“PoS是一个硬编码系统,而且相当不公平,只会导致富者愈富(图2)。”PoS的支持者辩解道,“在比特币系统中,有钱人可以在挖矿设备上投入更多,从而在挖矿时得到更多的比特币,有什么不同呢?这难道不是富者愈富一样的道理吗?”[v]

 


图2  Gavin Andresen对PoS的看法

 

答案是否定的,在比特币系统中,挖矿是一个与电力、硬件成本相关的经济学问题,矿工不可能无休止的提高矿力,难度飙升只会徒增成本,挖矿所得远不及付出。在矿业竞赛中,也没有永远的赢家,曾经占据20%份额的ASICMINER今天仅占有不到1%的份额。

 

在此,我提出一个三元悖论:去中心化、安全、环保构成一个不可能三角形(如图3),设计一个既环保又安全的密码学货币,它必然是中心化的,比如PPcoin、Nextcoin、Ripple,它们要么本身就是中心化的架构,要么其去中心化的架构不可维持,它们本质上仍是PayPal、网银一样的中心化验证机制;设计一个既环保又去中心化的密码学货币,它必然是不安全的,比如IP投票制的P2P货币,中本聪起初就已排除了这种可能,他认为“如果决定大多数的方式是基于IP地址的,一IP地址一票,那么如果有人拥有分配大量IP地址的权力,比如僵尸网络,就有可能主宰比特币网络”[vi]。设计一个安全的去中心化货币,它必然是以付出能源与计算力为代价。工作量证明是以去中心化形式构建安全产权认证系统的第一个解决方案,也可能是唯一解决方案。

 


[iv] “智猪博弈”由约翰·纳什(John·F·Nash) 1950年提出。

[vi] 中本聪,2008,比特币:一种点对点的电子现金系统

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  • Harvey老狼 发表于2014-02-04 回复

    通篇话语通顺 但是逻辑漏洞频出。 懒得码字一一反驳,就捡主要的点评一下。文中红色标识的两个观点只说了前半句,后半句是:如果PoS虚拟挖矿有 “算力集中” 或者 “富者更富的问题”,同样的问题在PoW物理挖矿中只会更加严重。 “算力集中”: 货币的分布随着时间会变的越来越分散. 原因很简单 随着价格上涨, 前期持有者 会获利抛盘而不是进一步屯币. 比较比特币现在的分布和1年前的分布就可以看出 是不是越来越分散了. 货币分布越分散意味着PoS虚拟矿机算力越分散. 反观PoW 物理矿机挖矿,随着技术的更新,挖矿变的规模化 专业化,所以PoW 物理矿机算力越来集中。 “富者更富的问题”: PoS中投入1000万挖矿的收益和投入1万的收益是 1000比1.钱再少也能参与PoS挖矿并享受到与其投资成比例的收益. PoW中投入1000万挖矿收益大于投入1万挖矿收益的1000倍,因为规模化和专业化能大大降低PoW挖矿成本. 所以PoW挖矿使得富人变的更富, 穷人(小算力矿机)直接出局. POS无非把原来的 POW物理矿机 转变成 虚拟矿机. 在思考POS vs. POW的时候, 或许可以想想 各种优点和缺点 是虚拟和物理矿机共有的? 还是物理矿机独有的? 亦或是虚拟矿机独有的? 目前为止 还没有发现让我信服的 POS中虚拟矿机独有的缺点. 物理矿机独有的缺点不赘述了. 末尾的三元悖论 只提出了这个理论 但没有充分验证他的正确性. 其中一个假设 “设计一个既环保又去中心化的密码学货币,它必然是不安全的” 用PoS机制就可以作为反例 证明它是错误的.

    • changjia 发表于2014-02-04

      瞧你打那么长一段废话,我试用一句最简短的话回复你,看你是否能明白。 一个理想的货币不在于其系统是否是去中心化,而在于其去中心化是否是一个纳什均衡。 一个失败的货币,不是因为其系统出现了中心化,而是其系统存在一个中心化的致命均衡。 以上两句话其实是一句话。

    • Deceptive 发表于2014-02-04

      真正出现逻辑错误和缺乏实际经验的是老狼你。 1. ”比较比特币现在的分布和1年前的分布就可以看出 是不是越来越分散了. 货币分布越分散意味着PoS虚拟矿机算力越分散. “ 你用PoW机制的bitcoin来证明PoS机制的其它币是不合理的,bitcoin越来越分散并不意味着PoS机制的币种也会越来越分散。因为PoW虚拟矿机无电力成本/硬件成本,一次拥有,终身可用,别人无法超越,专吃利息,显然选择抛售不明智。而物理矿机则有可能一不留神,就被其它人从技术上赶超,十年河东,十年河西,风水轮流转。烤猫就是一实例。其实从CPU到GPU再到ASIC的变革中算力就出现较为集中的现象,后来又慢慢分散就是因为后来出现效率更高的方式方法/硬件/软件取代。 2.”PoW中投入1000万挖矿收益大于投入1万挖矿收益的1000倍,因为规模化和专业化能大大降低PoW挖矿成本. “ 这是你想当然而已,开矿机公司有你想得那么简单就好了。 另外,这1000万要是在PoS币种系统中,直接买虚拟矿机不是更划算,一次投入无后续成本。物理矿机还要消耗能源,要硬件维护等等。 PPCoin(点点币)只不过是披着PoW外衣的PoS币种,PoW机制只是陪衬,具有很强的欺骗性。

  • 达鸿飞 发表于2014-02-04 回复

    问:最大的两三个比特币矿场为何不联合起来进行51%攻击? 答:因为他们拥有大比例的算力和大量比特币,理性的选择了不进行51%攻击。 问:这不是PoS吗? 答:。。。

    • changjia 发表于2014-02-04

      是的,PayPal也是安全的,只是它是中心化的。 需要提醒你的是,在我假设的不可能三角中,PoS占据的是环保、安全所构成的那条边。在PoS与PoW中,有能力发起51%攻击的人都不会傻到真这么做。所以,认为它们都是安全的。 但是PoS的中心化是均衡点,PoW的中心化不是一个均衡点,它不可维持。且不说矿池并非算力的真正拥有者,即便有些大矿池的算力属于自身,它的算力优势也是随时面临竞争,而不可持续。 如果PoS 的验证交易中心化均衡是成立的,那么我们又回到了原点,即PayPal模式。

  • 长铗 发表于2014-02-04 回复

    我一直拖延没写一篇scrypt货币批判,现在可能也不用写了 //@胡翌霖: 我一直拖延没写“PoS批判”,现在可能不用写了……//@新闻理科生: 从货币学概念来讲,安全比环保重要,公平比美学重要。谁去管CNY印炒机流出的污水呢。PoW此文一出,PoS同学们又得忙活一段时间了,淡看K线图

  • 长铗 发表于2015-01-11 回复

    这是因为,环保型数字货币与永动机一样,是一个逻辑上无法自洽的命题,我曾经写过三篇文章探讨过这个问题:http://t.cn/8FXKrsa http://t.cn/zRasGYo http://t.cn/RPmk76X

 

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