一种面向分布式共识协议的合作型工作量证明方案

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1. 引言

本文提出了一种对标准工作量证明方案的改进，其目标是找到一个随机数，使得区块头的密码学哈希值满足特定的难度目标（例如，以一定数量的零开头）。其核心创新在于，将工作量证明从矿工之间赢家通吃的竞争性竞赛，转变为一种合作性努力，用户能够汇集计算资源来验证自己的交易，并就交易排序达成共识。

主要动机在于解决传统工作量证明中固有的低效性和不良激励问题，例如竞争性哈希计算带来的巨大能源消耗以及矿池的中心化力量。通过支持原生协作，该方案旨在用交易税（由交易发起者支付，作为合作工作的成本）取代交易手续费（支付给矿工），从而使激励措施与节约成本和集体验证的目标保持一致。

2. 共识

2.1. 分布式共识问题

在没有中央权威的点对点网络中，就共享状态（如交易账本）达成共识具有挑战性。根本问题在于消息传播延迟。如果交易间隔在统计上长于网络的八卦传播时间，节点可以通过观察到共享的流量“暂停”来实现事实上的共识。然而，在高频交易环境中，这种简单方法会失效。

2.2. 工作量证明的作用

工作量证明充当了一种速率限制机制。它要求解决一个计算成本高昂、需要暴力破解的谜题（例如，找到一个满足 $\text{Hash}(\text{data} || \text{nonce}) < \text{Target}$ 的哈希值），从而对任何单个节点提议新区块的速度施加了上限。这人为地将有效交易频率降低到网络能够可靠达成共识的水平，正如比特币中本聪共识最初构想的那样。

3. 合作型工作量证明

3.1. 方案形式化

本文形式化了一种方案，其中工作量证明谜题并非与单个区块提议者绑定，而是可以由对一组交易感兴趣的用户群体协作解决。关于这些交易顺序的共识，从协作解决过程本身中产生，而不是由最先找到解决方案的矿工决定。

3.2. 核心机制：从手续费到交易税

最重要的经济转变是从手续费到交易税。在传统工作量证明中，用户支付手续费以激励矿工。在合作模型中，参与交易的用户支付一笔“税”，这代表了他们为合作型工作量证明所需计算成本所承担的份额。这将动态关系从“为服务付费”转变为“分担验证成本”，从而可能降低总体资源支出。

4. 核心洞见与逻辑脉络

核心洞见：本文的精妙之处在于认识到，工作量证明对于共识的主要价值在于其速率限制属性，而非其竞争性抽奖方面。作者正确地指出竞争性抽奖是巨大浪费（能源、硬件军备竞赛）和中心化（矿池）的根源。他们的逻辑飞跃在于提出：“我们能否保留速率限制，但摒弃竞争？” 所提出的合作方案就是答案——这是一次有意的尝试，旨在精心设计工作量证明的“好”的部分（去中心化、抗女巫攻击、难度可调），同时精准地移除“坏”的部分（浪费性竞争）。

逻辑脉络无懈可击：1) 识别共识问题（消息延迟）。2) 承认工作量证明是一种速率限制解决方案。3) 诊断工作量证明的关键缺陷（激励非合作行为）。4) 提出一种新的激励结构（由税收支付的合作工作），使个体理性与网络健康保持一致。这是系统思维的典范。

5. 优势与缺陷

优势：

• 激励重构优雅： 从手续费转向交易税是一项深刻的经济创新。它直接攻击了工作量证明挖矿中的“公地悲剧”，即个体矿工被激励去消耗超过社会最优水平的能源。
• 缓解中心化： 通过设计，它削弱了矿池存在的经济逻辑，矿池的存在主要是为了平滑竞争性抽奖的方差。原生协作可能导致更平等、更具韧性的网络拓扑结构。
• 潜在更高的吞吐量： 减少对区块奖励的竞争可能会降低安全所需的难度，从而在相同的总体哈希算力水平下，允许单位时间内处理更多交易。

缺陷与关键问题：

• 启动/协调问题： 用户如何找到彼此进行合作？本文对此一笔带过。在实践中，为每一组交易形成高效、无需信任的联盟是一个巨大的协调挑战，可能需要其自身复杂的协议层——重新引入复杂性和开销。
• 联盟攻击下的安全性： 该模型假设合作群体是良性的。是什么阻止一个大型恶意联盟形成以进行双花或审查交易？与《比特币骨干协议》分析等著作中对传统工作量证明的严谨博弈论处理相比，本文的安全分析显得肤浅。
• 税收征收与执行： 在去中心化、匿名的环境中强制执行“税收”并非易事。这可能导致创建一个系统，其中不付费者可以搭他人合作工作的便车，这是本文试图解决但可能无意中重新创造的经典激励问题。

6. 可行见解与未来方向

对研究人员： 不要将此视为一个完整的协议。应将其视为一个设计范式。其核心理念——为共识进行合作性成本分担——适用于基于哈希的工作量证明之外。探索其与权益证明或空间证明的整合。关键的研究空白是在这种新环境下，关于联盟形成和稳定性的稳健博弈论模型。可以参考关于“防联盟纳什均衡”的研究作为起点。

对开发者/企业： 此方案尚未准备好用于主网。然而，可以考虑将其用于私有或联盟区块链，其中参与者身份已知且协调更容易。其节能承诺在这里最为切实可行。可以试点一个系统，让已知实体（例如，供应链合作伙伴）协作验证其共享交易，并测量其相对于传统竞争性挖矿设置所减少的计算开销。

对行业： 在“合并”后（以太坊转向权益证明）的世界里，本文是一个至关重要的反叙事。它认为，工作量证明的能源问题并非源于工作量证明概念本身，而是源于其实现方式。随着对加密货币能源使用的监管审查日益严格，像合作型工作量证明这样的创新值得重新审视，作为一种潜在的“绿色工作量证明”替代方案，特别是对于那些认为权益证明的物理信任假设不可取的网络。

7. 技术细节与数学形式化

本文建议将合作型工作量证明形式化为一个多方计算问题。虽然没有完全详细说明，但核心谜题很可能改编自标准的哈希目标。它可能涉及来自 $n$ 个参与者的组合输入：$\text{Hash}(\text{TxSet} || \text{nonce}_1 || ... || \text{nonce}_n || \text{ID}_{\text{coalition}}) < T$，而不是 $\text{Hash}(\text{Block}_{\text{proposer}} || \text{nonce}) < T$。

难度目标 $T$ 根据期望的合作区块生成速率进行调整。“工作”被分配，使得每个参与者 $i$ 搜索一个部分随机数 $\text{nonce}_i$，并且组合的努力满足目标。税收的一个简单模型可以是：$\text{Tax}_i = \frac{C \cdot w_i}{\sum_{j=1}^{n} w_j}$，其中 $C$ 是已解决谜题的总计算成本，$w_i$ 是参与者 $i$ 贡献的可证明工作量。这确保了成本按贡献比例分担。

8. 分析框架与概念示例

框架：合作共识博弈

1. 参与者： 一组有待处理交易的用户 $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$。
2. 行动： 每个参与者可以选择：(a) 单独工作（标准工作量证明），(b) 形成/加入一个联盟 $S \subseteq U$，(c) 搭便车（如果可能）。
3. 收益： 对于一个成功创建包含其交易区块的联盟 $S$：
   • 收益：交易得到确认（对用户 $i$ 的价值为 $V_i$）。
   • 成本：根据贡献的工作量支付的税款 $\text{Tax}_i$。
   • 净收益：$V_i - \text{Tax}_i$。
4. 均衡概念： 系统旨在达到一种状态，其中“大联盟” $U$（所有用户合作）的形成是一个稳定、高效的纳什均衡，在确认所有交易的同时最小化总成本 $\sum \text{Tax}_i$。

概念示例： 想象五个用户 A 到 E，每个人都想发送一笔交易。在比特币中，他们广播交易并希望矿工将其包含在内。矿工们消耗 100 单位能量竞争；获胜者获得手续费。总能耗：100 单位。在合作型工作量证明中，A-E 组成一个小组。他们共同消耗 20 单位能量（由于没有竞争而减少）来解决一个包含所有五笔交易的区块的谜题。他们各自支付总计 20 单位的税款（例如，每人 4 单位）。节省的能源：80 单位。对于该小组而言，确认是保证的，而非概率性的。

9. 应用前景与未来发展

短期（未来2-3年）： 最可行的应用是在企业/联盟分布式账本技术中。例如，一组银行结算银行间支付时可以使用合作型工作量证明账本。身份已知，协调可控，目标是效率和最终性——而非匿名参与。研究将侧重于高效的联盟形成算法和可验证的贡献度量。

中期（3-5年）： 如果在封闭环境中取得成功，该概念可能会启发混合型公有区块链设计。一个公有链可能有一个使用传统工作量证明或权益证明的基础层，并配有特定的“合作分片”或侧链，这些侧链采用此模型来处理高吞吐量、低费用的特定应用交易（例如，微支付、物联网数据记录）。

长期与基础研究： 最终的考验在于完全去中心化、无需许可的版本是否能够安全。这需要在去中心化随机信标生成（用于公平的联盟分配）和在不损害隐私的前提下惩罚搭便车者的加密经济机制方面取得突破。这也开辟了一个新领域：共识机制多样性，其中不同的交易类型或用户群体可以在同一生态系统内选择不同的共识模型（竞争性、合作性、权益型），类似于计算机网络为不同需求使用不同协议（TCP、UDP）的方式。

10. 参考文献

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2. Demers, A., et al. (1987). Epidemic Algorithms for Replicated Database Maintenance. Proceedings of the Sixth Annual ACM Symposium on Principles of Distributed Computing.
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4. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
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6. Buterin, V., et al. (2022). Combining GHOST and Casper. Ethereum Research.
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