一个比特币是怎么来的？这一节我们会得到答案。
本系列历史文章列表
从零开始区块链：对等网络与电子现金是什么？——比特币经典论文研读 (1)
从零开始区块链：如何防止一笔钱花两次？——比特币经典论文研读 (2)
从零开始区块链：如何证明计算机的工作量？——比特币经典论文研读 (3)
7.工作量证明（2）
接第3篇的铺垫，这里就很好理解了。
(1) 比特币采用SHA256的标准做哈希运算，平均的工作量与0比特位的数量指数级增长。
(2) 为了时间戳的考虑，在计算每一个块的哈希值的时候，增加了一个随机数（nonce）。随机数每次加1，生成哈希值，检查是否满足前缀是若干个0的要求。CPU需要做大量计算才能得到满足要求的解。如果要块的内容修改，那就需要重新计算，找到满足条件的哈希值。这里面引用的就是哈希的细节敏感特性，当你修改了内容，哈希值就变化了
(3) 工作量证明还解决了一个“集体决策”的“大多数”问题。在网络中，到底用什么来代表“大多数”？如果用一个IP地址代表一票，那有很多IP地址的人可以操纵结果。于是作者采用了“一个CPU一票”的方式来代表大多数的意见。因为链的生成是需要工作量的，于是最长的那一条链，必然就拥有最多的工作量，也就是代表大多数人的意见。而工作量其实就是由CPU来计算的，于是这样就落实了一个CPU一票的精神。这里作者的逻辑就是，选择一个相对有难度的指标，计算工作量，然后把大多数人的工作量攒在一起，这就形成了一个共同的意见。不过作者没有料到的时，现在也有很多人拥有大量的CPU，而且不止是CPU，已经有专门的芯片了……
(4) 如果大部分的CPU算力在好人手里，那大家齐心协力一起算，工作的积累就会很快，链的增长速度超过其他链。如果要修改一个过去的块，攻击者要把这个块之后的其他所有块都重新做一遍。作者在后面会证明，随着链的增长，成功概率不断减小。你可以理解为：历史的潮流浩浩荡荡，如果你要逆潮流而动，那你要比潮流还更有能量。
(5) 综合考虑，块增加的速度会不断调整，如果增加速度太快了，计算工作量的难度会增加。
工作证明这部分就结束了。我有两点感想：
(1) 你是否发现，在阅读论文的时候，如果你基础工作打得扎实，哪怕需要花费一些时间，但是效果是可以复利到的。比如昨天用了很大的篇幅探讨HashCash，弄清楚基本情况以后，再探讨工作量证明反而简单了。
(2) 中本聪在设计比特币的时候，就是想用CPU分散的方式，构造没有人能操纵的结果。但是比特币发展至今，越来越多的算力掌握在少数人的手里，这倒也是有意思的事情。现在所谓的挖矿其实就是算出哈希值的隐喻表达。
(3) 基于工作量证明的机制有些人认为过于浪费资源，于是有新的机制开发出来，不需要进行挖矿工作，这个以后再议。
8.网络
这部分内容讲了比特币网络运行的基本规则：
(1) 所有交易全网广播。
(2) 每个节点把新交易纳入一个块中。
(3) 每个节点计算对应块的工作量证明，就是找到那个哈希值。
(4) 如果有节点算出了哈希值，即完成了工作量证明，就全网广播。
(5) 如果有一个块所有的交易有效，并且没有出现双花的情况，节点接受这个块。注意前面说过每个节点会有所有的网络交易，而且每个交易有签名可以验证。
(6) 节点认可一个块的方式，就是把这个块当成上一个块，继续寻找下一个块的工作证明。下一个块数据字段里面有一个“前一块哈希值”就把认可的哈希填进去。
除此之外还有其他几个要点：
(1) 节点只认网络中最长的那个链条作为正确的结果，然后继续延长这条链。
(2) 如果在同一时间，同时有两个节点发现了新的不同块，广播出去，那么有的节点先收到第一个，有的先收到第二个，怎么办？该干嘛干嘛。继续在先收到的块上挖矿，但是保存另外一个分支。等到下一个块出现的时候，总会有一个变得更长，那就到那个时候，换到更长的块上去。
(3) 不要担心丢包的问题，缺的总是可以通过各种方式补上。
9.激励机制
激励机制一直是P2P网络研究的重点问题[14,15]。只要是去中心化，就会面对激励机制问题。为什么？因为你让很多人干原来一个中心就能干的事情，一个是我为什么要做这些事情，对我有什么好处？二是，如果参与的人多，搞小动作的人就会出现。激励机制的出现就是设计了一套体系，来激励大家好好干，别搞事。
P2P网络原先设计的是“我为人人，人人为我”的原则，但是，由于经常会出现部分节点“搭便车”的情况，网络运行并没有设计的那样好。比如在BT下载里面，就会有“吸血鬼”的节点，只从其他节点下载，却从来或者很少上传。这样最后就会出现社会科学里说的“公地悲剧”[16]。
公地悲剧指的是，在共享资源的系统中，每个人根据自己的利益最大化独立行事，但是却最后这些行为却导致和共同利益相反的结果。在P2P网络中，如果吸血节点越来越多，那最后这个网络就会出现拥塞以及崩坏。在社会环境下，每个工厂都对外排放污水，最后生态环境破坏，没有人逃得掉。
比特币里的激励机制如何设计？
(1) 块内第一个交易，由块创始人产生一个新的币。这样可以激励节点参与到P2P网络的维护中，也可以把新发行的币流通到市场中。因为在比特币的场景下，没有中央权威机构发行货币。这样一来，网络中出现的币，以恒定的速度发行，就像黄金矿工挖出黄金一样；只不过比特币消耗的是电能与CPU的算率。
(2) 激励机制还包括交易手续费。如果交易的输出值小于输入值，那么这个差价就是交易费，算在包含这笔交易的块下。而一旦币进入流通以后，激励就主手续费为主，而且可以不受通胀影响。
(3) 激励机制让节点选择做一个诚实的节点，不干坏事。因为如果一个攻击者组织了超过诚实节点的算力，就面临这个选择：要么选择用于欺诈其他所有人，于是可以把花的钱盗回来；要么就是用来生成新的币。不过算下来，应该还是造新币划算，因为既然已经有一半以上的算力，其实自己可以赚到超过其他所有人更多的钱，按照规则行事，对自己有利；否则把整个网络搞坏，自己留一堆币，也没有用了。
所以比特币的激励机制就是用“币”这个方式，简单直接地对节点进行激励。这个激励效果有多好？因为知道挖矿可以赚得比特币，现在有专门的人从事矿机的生产与制造，已经形成了相当规模的产业。如此看来，激励效果相当之好……
总结下来，这一节就两个主要议题：
(1) 比特币通过哈希碰撞的方式进行挖矿
(2) 比特币作为一种激励手段鼓励节点参与到网络运行中
参考文献
[14] Ma R T B, Lee S C M, Lui J C S, et al. An incentive mechanism for P2P networks, 2004[C].
[15] Zhang K, Antonopoulos N, Mahmood Z. A Review of Incentive Mechanism in Peer-to-Peer Systems, 2009[C].Oct.
[16] Hardin G. The tragedy of the commons[J]. Journal of Natural Resources Policy Research, 2009,1(3):243-253.
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