深度：未来当比特币网络“无矿可挖”时，如何保障其安全？

众所周知，比特币安全模型建立在 区块补贴 (block subsidy) 和 交易费用 (transaction fees) 的基础之上 (备注：区块补贴也是通常所说的挖矿奖励，当前的比特币挖矿奖励为，矿工每挖出一个区块将获得 12.5 BTC；交易费用也即用户在发送交易时附带的愿意支付给矿工的一笔交易手续费，用于奖励矿工来确认该笔交易)。

本文要点总结：

• 比特币网络规模越大，就越安全。
• 从长期来看，区块补贴和交易费用之间将会发生一个自然演进的安全性权衡。随着比特币网络效应的增大，矿工对区块空间 (block space) 的需求会随之增加，从而降低了对区块补贴的需求。当前这种情况这正在发生，且未来趋势乐观。
• 比特币的区块空间是一种稀缺且独特的商品。对区块空间的需求将继续增加。
• 比特币交易者的价格弹性很高。即使在交易费用显著提高的情况下，比特币区块空间的需求也将增加。

区块奖励

我们知道，大约每10分钟就会创建一个新的比特币区块，区块中包含新铸造的比特币 (即“区块补贴”) 以及被矿工确认打包的交易 (交易中包含了发送交易的实体支付的交易费用)。 新铸造的比特币 (区块补贴) 加上交易费用就是我们通常所说的“区块奖励 (block reward)” 。

按照比特币的硬编码货币政策，每个区块中新铸造的比特币数量会随着时间的推移而减少， 最终在 2140 年达到 0% (这种政策也称为反通胀模式)。在发表本文时，已经有超过 83% 的比特币被挖出来了，而目前的比特币年通货膨胀率 (也即增发率) 仅为3.8%。 到 2040 年，99%以上的比特币都将被挖出 。我们来看一下中本聪的阐述：

“事实上，当 (比特币) 用户数量增长时，并没有谁会担任中央银行或美联储那样的角色去调整货币的供应量。因为我不知道软件如何能获知真实世界的物价，因此又将需要一个可信方来确定比特币的价值。如果有聪明的办法，或者希望信任某人能积极地管理货币供应，使之与某个事物挂钩，就可以通过编程把规则制定成那样。

从这个意义上说，比特币更像是典型的贵金属。供应量是预定的且价值会变化，而不是改变供应以保持价值不变。当用户数量增长时，每枚比特币的价值也随之增加。它有潜力进入正反馈循环；当用户数量增加，比特币价值上升，这会吸引更多的用户来享受增值的好处。”

——中本聪

中本聪认为为比特币设定一个“合适的”通货膨胀率是不可能的 (因为存在“Local Knowledge (局部知识)”的问题)，而且这也会引入一个政治攻击载体，所以中本聪决定将人类决策从这个过程中移除。每当货币政策发生变化或修改时，人类治理就会重新参与到系统中使当前的货币供应失效，这最终会导致网络的社会扩展性降低，增加网络分裂和分歧的风险。因此， 中本聪认为一个可预测的货币政策是至关重要的 ：比特币注重长期的稳定性和透明度，这给投资者和开发者带来了信心。

换句话说， 比特币的固定货币政策有效而直接地解决了一个产权问题 ：如果没有固定的货币供应上限，那就无法确定任何特定的持有者总共占有多少货币份额；其结果是，随着时间的推移，可更改的供应政策几乎总是会削弱个人对货币持有份额的所有权。由于比特币供应上限解决了这一产权问题，因此这些货币往往会升值。

本文不会深入分析比特币的货币政策，因为作者认为这将需要很长的篇幅加以论述。

那为什么这种固定的货币政策很重要呢？区块奖励能够激励矿工保护网络安全。 随着比特币的通胀率 (即增发率) 趋向0，矿工将只能不断地通过交易费来获取收入 。有些人担心，仅凭交易费无法为矿工提供足够的报酬，而在存储大量财富时，安全和信任都是至关重要的。

比特币的通胀率 (橙线)vs 被挖出的比特币数量 (蓝线) 变化曲线图

比特币的安全模型

“几十年之后，当挖矿奖励过低时，交易费用将成为矿工的主要报酬。”

——中本聪

当前的比特币 UTXO 集 (即未花费交易输出的集合) 模型和新的区块是借助博弈论和物理学来加以保护的 。比特币使用 PoW 机制来确保很难修改账本，这消除了信任的必要，同时为任何潜在的攻击者带来了外在成本。矿工购买硬件 (资本支出) 和电力 (经营费用)，并希望通过消耗工作量 (哈希) 来获取相应的区块奖励。从经济角度来说，区块奖励能够激励矿工行为得当 (也即不做出损害整个网路的行为)。

随着 BTC 价格的上涨，区块奖励的价值也随之增加，这就激励矿工在挖矿过程中引入更多的算力 (hashrate)。 加密货币网络的全网算力越高，51%攻击的代价也就越高 。这种攻击预算保护比特币网络免受51%的攻击。

在比特币网络的早期阶段，比特币矿工获得的区块奖励中，区块补贴要远高于交易费用。 由于比特币的反通胀货币政策，大约每四年，比特币的区块补贴 (block subsidy) 就会下降50% (也即我们所说的挖矿奖励减半：最开始的挖矿奖励是 50 BTC，2012年11月比特币发生第一次挖矿奖励减半，降至25 BTC，2016年7月发生第二次挖矿奖励减半，降至12.5 BTC。预计比特币将于2020年5月发生第三次挖矿奖励减半，降至6.25 BTC)。

区块补贴下降往往会造成波动性和价格上涨：如果比特币需求保持不变 (或增加)，那么比特币供应的减少就意味着市场的供不应求，从而带来价格上涨。这种效应能够带来新的投机者，这也是比特币设计的美妙之处之一，因为供应冲击提高了人们对比特币的认识。正如中本聪所说的那样：

“当用户数量增长时，每枚比特币的价值也随之增加。它有潜力进入正反馈循环；当用户数量增加，比特币价值上升，这会吸引更多的用户来享受增值的好处。”

——中本聪

比特币挖矿奖励已经经历了两次减半，第三次预计在2020年5月发生。

虽然区块补贴 (挖矿奖励) 和交易费用代表着相同的安全预算，但二者迥然不同。就区块补贴来说，其不断下降的趋势的价值在于，它即是作为一种发行新的 BTC 的合理方式，也是比特币协议中内置的一种扩散 FOMO (害怕错过的情绪) 的循环，能够增加比特币信仰者的数量和网络效应。同时，区块补贴进一步扩展了矿工通过仅提供网络安全保护就能获得交易费用的需求，这就是为何将之称为“补贴”的原因。

从长期来看，双方之间将会出现一个自然演进的权衡： 随着网络效应变得更大，矿工对区块空间 (block space) 的需求将随之增加，从而减少了对块补贴的需求 。虽然我们不知道为什么中本聪如此明确规定了比特币的发行规划，但我们可以推测：每隔四年才进行挖矿奖励减半，这对于相关规划和搭建工作预留了足够长的时间。要知道，在同样长的时间里，美国整个国家也是给予了每任总统四年的时间让他推动整个国家的发展。

通过下图由 Awe & Wonder 提供的建模我们可以看出，大约在2030年，比特币的交易费用将开始呈现出占据区块奖励中的重要部分 (见下图中的黄色虚线)。 当交易费用长期地 (按年度记) 占据区块奖励的50%以上时，比特币就发展到了更多地依靠交易费用 (而非区块补贴) 来继续运行下去了 。

Awe and Wonder 提供的图表和预测

比特币的批评者经常认为，单凭交易费用无法为比特币提供足够的安全保障。但适当的安全级别是如何定义的呢？这是非常主观的，因为人们等待的交易确认次数取决于交易的大小和网络的健康状况。然而，尽管存在主观性，我们还是应该尝试去计算比特币的安全级别。在麻省理工学院比特币会议 (MIT Bitcoin conference) 上，Nic Carter 提出了几种量化足够的安全预算 (security budget) 的方法:

• 阈值 (Threshold)：在一定的安全性支出水平上，比特币被认为是安全的；
• 存量 (Stock)：安全性支出应该与比特币本身的价值挂钩；
• 流量 (Flow)：相对于交易量的交易费用必须很大；

作者认为，衡量安全性的最佳标准是所占存量 (stock) 的百分比，这一百分比最终会达到一个阈值水平。存量比流量更有意义，因为随着 ASIC (专用挖矿芯片) 效率的下降，矿工将越来越专注于长期运营。最终，比特币的安全性将达到某个阈值水平，即使是最富裕的国家也很难打破这一阈值。

以美元当前的价值计算，数千亿美元的将是一个足够的安全预算，因为对于一个政府来说，耗费如此巨大的资金量来对比特币发起51%攻击是非常困难的，此外政府还必须公开回应这样的攻击，因为其公民 (纳税人)、企业和银行都将投资于比特币。

值得注意的是，51%攻击并不能“杀死”比特币，因为你仍旧无法轻易地逆转历史交易。

最后， 如果在遭遇持续51%攻击的最坏情况下，则必须保留 UTXO 集 (即未花费交易输出的集合) 。如果 SHA256 算法必须被抛弃，那就放弃吧。在这种情况下，比特币可能会转向采用另一种已经拥有成熟市场的挖矿算法——这将使所有国家的挖矿设备失效。作者想说明的是，这将是最后的努力，虽然并不能保证一定会成功，但这种情况所带来的后果可能会阻止一个国家尝试这样的攻击。

值得注意的是，PoW 机制不仅仅是将51%攻击最小化，而且也能实现其他目标 (见下图)，并提高网络效应，同时还确保了创造 BTC 的成本是非常高昂的。

比特币算力不仅使51%攻击最小化，同时也能够：

• 允许节点对单一全局状态达成共识；
• 确保伪造 BTC 非常困难；
• 界定每一枚 BTC 的成本，并将该成本作为比特币价值的代理。

区块空间是一种稀缺而独特的商品

我们可以将“挖矿”视为购买某个区块的一部分。打个比方，平均每10分钟就会有固定数量的土地被创造出来，那些想要交易的人会竞标这块地的一部分。 出售这块土地就是支撑矿工继续挖矿并维护比特币网络安全的动机，即便是当比特币的通胀率为零 (也即所有比特币都被挖出)。

这块土地的价格是由交易的需求决定的，因为土地的供应是固定的、已知的。基本前提就是， 如果比特币网络被使用 (也即存在交易需求)，那么验证/保护网络的矿工就会获得奖励 。

有些人认为山寨币的区块空间可以替代比特币的区块空间。然而，我们有很多方法可以推翻这种论断。比特币这块房地产是优质房地产 (例如，不管德克萨斯州的米德兰市的土地有多便宜，它永远都不会拥有旧金山那样的视野或社交网络，因此它需求就注定会更少)。 比特币区块空间的独特价值在于其安全、兑换、波动性和协调等方面的成本 。

01. 安全成本 (security costs)：比特币是最安全的加密货币网络 (这得益于其累计的总算力)。这将为安全地进行高额比特币交易创造市场，比如央行、政府、企业及其他大额价值支付用户，都将乐意支付非常高的交易费用。这也正是其他的区块链 (比如 Verblock) 借助比特币的强大安全性来进行链上交易的原因。

02. 兑换成本 (exchange costs)：当交易发送方和接收方都希望将比特币作为存储价值，但又需要将其转移时，如果发送方将 BTC 兑换成某种山寨币，然后将山寨币发送给接收方 (手续费会更低)，之后接收方再将山寨币兑换成BTC，在这个过程中会产生摩擦。在兑换手续费 (0.1-4%之间)、价差 (山寨币流动性更低，因此价格更低) 以及涉及的两次 BTC 与山寨币的交易费用之间，会存在一个无差别点 (indifference point)，如果超过了这个点，则更好的方式则是直接发送 BTC 并支付一定数额的 BTC 手续费。如果比特币是一种非常好的价值存储手段，那也会因为这一理由而使 BTC 内部的交易增长。

03. 波动性成本 (volatility costs)：人们往往会忽略将波动性成本。波动性成本取决于你的持有周期，山寨币通常比 BTC 有着更高的价格波动性，这使得其波动性会随着交易规模的增加而使用户承担更高的交易成本。请看下方的例子：

• LTC: $10 交易价值 + 10% 波动性 + 0.01 手续费 = $1.01
• BTC: $10 交易价值 + 1% 波动性 + 0.20 手续费 = $0.30
• LTC: $100 交易价值 + 10% 波动性 + 0.05 手续费 = $10.05
• BTC: $100 交易价值 + 1% 波动性 + $1.00 手续费 = $2.00

从上方的例子可以看出，更高的价格波动性往导致更高的交易成本。

04. 协调成本 (coordination costs)：并不是所有种类的加密货币都将幸存下来。世界将会存在一个有限的竞争性区块空间市场。这是因为我们的思维是有限的，我们将不会愿意在头脑里想着250多种加密货币名称、250多种交易费用和对应的250多种不同的价格，并且每当我们想要进行价值转移时，都还得去选择最便宜的价格。我们的大脑最多只能支持理解2到3种加密货币的价值，而且在一定程度上，我们可以很轻松地交替使用它们。此外，由于比特币的 HODLers 对于交易 BTC 方面有着很强的偏好，多货币主义者 (multicoiners) 将被迫使用比特币进行交易。比如，Square、Bakkt 和 Fedility 目前只支持比特币交易。

最后，比特币核心软件正与传统的成熟生态系统进行相竞争。这增加了比特币独特的区块空间的价值，因为有更多的开发者和企业在研究和依赖比特币的代码。

鉴于以上所有因素，未来加密货币的数量将是有限的，区块空间和交易量也将是有限的。这意味着转移价值的成本将按价值和安全需求的比例在幸存的区块链之间进行分配，换句话说， 对某种价值及其安全性的需求越高，该条链上被分配的交易转移成本 (即交易手续费) 也就越高 。但最终，每种山寨币提供的安全模型都更低，风险也更高。

但是，作者认为很大一部分加密货币支付都是出于人们的好奇心而产生的，虽然作者没有什么数据来支持这种说法 (并且这是相当主观的说法)。要知道，与传统的支付方式相比，使用加密货币支付更困难、更昂贵、也更缓慢。尽管如此，比特币的基础层是为一个全新的全球货币体系建立最强大的基础，而不是创建另一个类似 Venmo 的支付平台。

上图中，当前“spend bitcoin (消费比特币)” (蓝线) 几乎没有显示出来。

上图：用户并不期待使用任何加密货币来购买商品，否则即便其价格有波动，我们依旧可以看到“spend bitcoin (消费比特币)”出现上涨趋势，而实际情况是并没有出现上涨。

交易需求

“我确定20年后，比特币要么有很大的交易量，要么没有交易量。”

——中本聪

另一个担忧是，随着比特币交易费越来越高，用户将避免进行交易，以避免支付交易费用。然而实际上，我们看到情况并非如此 (见下图)： 随着交易/交易量的增加，交易费用也随之增加 。

价格弹性

“可以将交易费当成保险费，你支付的是安全保障。”

—— Ari Paul

比特币交易者需要支付的手续费在很大程度上是由发送的支付类型的本质决定的，即比特币是一种不可篡改的价值存储手段 (SoV)。在2017年比特币网络最拥堵的时候，平均交易费用为38美元。在这段时间里，我们见证了交易费用高于区块补助的情况。下面我们比较一下交易 SoV 的成本：

01. 电汇法币

就美国的银行而言，平均的国内电汇费用为30-40美元，国际电汇的平均费用为65-80美元 (不管是转入还是转出)。

02. 离岸银行 (7万亿的市场)

“每月的离岸银行账户维护费从20美元到100美元不等。电汇手续费通常从25美元到75美元不等。”数据来源：

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

03.房地产 (250万亿的市场)

“2017年4月至2018年3月，中国买家购买了40,400套公寓，总价304亿美元。他们每次购买的平均花费为 439,100 美元。”数据来源：

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

04. 实体黄金交割 (7.5万亿的市场)

ETC (以太坊经典) 的开发团队成员 Donald McIntyre 曾经要求德国央行提供有关纽约联邦储备银行将300吨黄金 (当时价值120亿美元) 从纽约转移到法兰克福的信息，得到的回复时这项交割花了三年时间，成本支出为 480 万美元。

对于更小数量的黄金交割而言，可能需要缴纳保险、运费，或者取/送过程中的物理防护成本等等，预计成本至少在10-100美元之间。

增加交易密度

加密货币分析公司 Coinmetrics 联合创始人 Nic Carter 曾在 MIT (麻省理工学院) 的演讲强调了两种提高交易需求的方法： 增加交易的经济或语义密度 (economic or semantic density of transactions)。语义密度是指让其他区块链将数据嵌入比特币区块链之中，比如 Veriblock。经济密度是关于增加 Layer 1 的交易类型，具体如下:

01. 隐私保护

“Schnorr 签名 (一种旨在提高比特币交易隐私和效率的新签名方案，有望取代当前比特币交易采用的椭圆曲线数字签名算法 (ECDSA)) 可以创建新的交易类型，打破区块链分析中广泛使用的试探法 (heuristics)，并且使得几乎不可能通过查看区块链来定位特定的实体，同时通过聚合签名允许每个区块拥有更大的交易密度。”

—— Lucas Nuzzi

02. Layer 2 (比如闪电网络)

随着比特币在扩展性方面取得的进展 (Layer 1 的 Schnorr 签名算法，Layer 2 的闪电网络等等)，比特币网络将变得越来越有效率，推动着链上使用率的提高。Jevon 悖论直观地预测了这一点--随着汽车燃油效率的提高，每年汽车行驶的里程也会增加。 Layer 2 将支持大量的低成本小额交易，而 Layer 1 则代表着大额交易的更高成本结算层 。

随着基于闪电网络的业务和 Lapp (Lightning app，即闪电网络应用程序) 的搭建，这些业务和 Lapp 的运营成本的很大一部分将是管理支付通道。这将确保些运营商在支付通道中调整交易双方的资金余额 (rebalance)，以及优化通道的交易量 & 连通性时，对 Layer 1 结算存在持续的需求。在链上，区块空间是额外的费用，因此交易需要支付一笔将该交易登记在区块空间之中的费用；在链下，流动性是额外的费用，因此交易将根据通过通道传输的金额收取费用 (因为这涉及到交易双方余额的重新调整)。换句话说，链上交易和链下交易有不同的收费模式，它们是相辅相成的。 在链上，不管交易价值多少，交易费用都是不变的；在链下，交易费用是按照交易价值的百分比进行定价的 。链上交易和链下交易的费用存在一个交叉点，在这个交叉点上，相比于在 Layer 1 上进行交易，高价值交易在闪电网络上进行将需要支付更高的成本费用。

我们已经看到了有关闪电网络正在增加 Layer 1 的使用率，即便是在高度实验性的阶段也是如此。2019年2月创建了一个区块，其中25%的交易都是基于闪电网络通道完成的。这是可检测的，因为闪电网络使用隔离见证 (SegWit) 来进行延展性修复，所有打开的闪电网络通道都是隔离见证交易。*

03. 抗量子计算

“抗量子计算技术的采用也将带来更大 (和成本更高的) 的交易。后量子加密算法需要更大的密钥尺寸 (key size)，这反过来又增加了交易中非见证数据的大小。”

——Lucas Nuzzi

04. 总体而言

经验证明， 未来几十年，交易费用总收入将缓慢上升，并与区块补贴相持平 。基于这些数据，对交易费用将无法取代区块补贴的担忧无疑有些言过其实。

下图显示交易费用 (黄线) 占区块补贴的百分比的趋势图 (未来将趋向100%，也即交易费用完全取代区块补贴)。

图表由 Awe & Wonder 提供

正如 Alex Sunnarborg 所指出的， 只有比特币和以太坊才有足够多的交易费用来补偿矿工在无通胀(增发) 情况下的损失 。任何其他网络都不太可能有竞争力。

主流区块链平台 (BTC vs ETH) 的每日交易总费用变化图，来源 | CoinMertrics

安全的稳定性

“交易费用的波动性也许会导致算力相应地大幅波动。”

—— Nick Szaboq

一个合理的担忧是，在未来纯粹由交易费用支撑的安全模型中，现金流 (cash flows) 将出现波动。交易费用是以市场为中心的，这意味着它们会随着供求关系的变化而上下浮动。基本假设是，交易费用带来的现金流将是不稳定的，这使得网络不那么安全。在这方面，Dan Mcardle 总结得很好：

矿工喜欢的是稳定的现金流 (cash flows)，这就是他们加入矿池的原因。他们不玩短期游戏来赢得某个区块，而是将挖矿奖励社会化。

最糟糕的情况就是挖矿获得的交易费用不稳定，但这实际上并不会破坏整个系统，只是在交易费用增长到一定程度之前，交易确认将需要更长的时间。由于需要采取时间上的优先选择，实体 (企业或个人等) 将会增加手续费来进行回应，以应对确认时间过长的问题。

此外，在过去的几年里，按实际价值计算，区块补贴已经非常不稳定，但是挖矿行业仍然保持着强劲和稳定的势头——即使区块补贴的价值下降了80%。 这种“不稳定”还尚未影响到整个比特币网络，并且随着市场不断成熟，挖矿行业将继续变得对交易费用的大幅波动更具弹性 。

未来，矿工可能会提前拍卖未来区块中的“土地”，这可能会对他们的收入起到稳定作用 (就像农民出售农产品期货一样)。 其基本前提是，如果比特币的使用不断增加，未来区块空间的自由市场将对区块空间进行正确定价 。

最后，如果这是一个市场无法自然修正的主要问题，我们可以在比特币协议中做一些小的修改，以使矿工的交易费用收入更加平稳。然而，这将使基础协议更加复杂，而比特币协议背后的博弈论还尚未得到充分的研究。

结语

上文已经讨论了足够的安全级别意味着什么，比特币的主要 (不可复制的) 区块空间，交易需求，区块补贴不存在时将发生什么，以及安全的稳定性。随着比特币的通胀率趋向0，矿工将只能不断地通过交易费来获取收入。随着网络效应变得更大，矿工对区块空间 (block space) 的需求将随之增加，从而减少了对块补贴的需求。当然，如果未来10年内比特币没有经济 (交易) 量，或许它也会失败。

比特币这场实验已经持续了10年，过去经历的环境尽管严峻，但所有的数据都显示着我们完全有理由相信它将继续繁荣下去。

备注：原文篇幅过长，为了便于阅读，译者在翻译是对原文有所删节。

原文链接：

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

作者 | Dan Held

编译 | Jhonny