比特币的网络安全风险：比特币挖矿有什么作用？

通过工作量证明挖掘比特币是一个优雅的验证过程，它同时保护网络、处理交易、促进共识和铸造新的比特币。工作量证明为矿工创造了令人难以置信的经济激励，并在许多方面增强了对比特币网络的信任。

概括

比特币网络由挖矿来保护，挖矿是一个验证网络上的交易并同时铸造新比特币的过程。采矿还确保没有任何实体控制区块链或管理它的协议，使比特币能够抵抗任何政府或中央机构的控制（或关闭）。在本文中，我们将讨论比特币网络的安全设计及其解决的风险。

内容

• 比特币挖矿的作用
• 风险：51% 攻击
• 风险：挖矿中心化
• 风险：硬分叉
• 风险：量子计算攻击

比特币挖矿的作用

比特币挖矿是一项重大的计算机科学突破，它同时铸造比特币并验证比特币网络上的交易。它的工作原理如下：网络上的计算机——被称为“矿工”的节点——竞相解决计算密集型的工作量证明 (PoW)难题。

工作量证明（PoW）是一种区块链共识机制，首先由比特币区块链网络普及。工作量证明系统依靠挖矿过程来维护网络。矿工提供计算机硬件来竞争解决确认网络上交易的数据所需的复杂密码难题，并因此获得网络底层密码令牌的奖励。与其他网络共识方法相比，工作量证明区块链系统分散且安全，但通常难以实现全球企业广泛采用所需的网络可扩展性。工作量证明也因其高能量强度而受到批评。

第一个找到被大多数矿工接受的解决方案的矿工被允许将新交易的“块”写入“区块链”——比特币的分布式账本。作为他努力的回报，他获得了预定数量的新铸造比特币，称为“区块奖励”。这场比赛大约需要 10 分钟，一旦找到解决方案并被 51% 或更多的矿工接受，它就会重新开始。因为解锁区块奖励需要工作（即能量），与创建比特币相关的成本，类似于开采黄金。这种成本赋予比特币价值（根据劳动价值理论，而不是主观价值理论）和数字稀缺性。

交易数据是矿工用来解决 PoW 难题的部分之一。如果矿工不使用有效的交易，其他矿工将无法就她的解决方案达成共识，因为他们将使用不同的交易数据集。这意味着他们不会同意她向区块链写入新区块并赢得区块奖励。她致力于寻找解决方案的所有计算能力都将付诸东流。因此，强烈鼓励矿工保持诚信并使用有效的交易，以免她浪费宝贵的资源。因此，挖矿成本不仅会造成数字稀缺性，还有助于保护比特币网络。

风险：51% 攻击

如果矿工要获得比特币网络的大部分处理能力，或衡量的哈希率，她可能会不止一次地花费她的比特币——双花费问题。

哈希率是衡量工作量证明共识机制计算能力的单位。哈希率以每秒 terahashes (TH/s) 为单位，并根据网络上运行的矿工数量增加或减少。

这被称为51% 攻击.。比特币网络通过激励解决了这个问题。首先，它的安全性与比特币的价格完美同步。随着价格的上涨，出现了块奖励套利机会。这将激励理性的、受经济驱动的矿工社区投入额外的处理能力来解决 PoW 难题，其总量等于区块奖励的增加值——不多也不少。由于这种套利机会促使矿工将更大的处理能力投入到网络中，而哈希率又很昂贵，因此随着比特币价格的上涨，恶意矿工进行 51% 攻击的成本将变得更高。

其次，即使矿工能够获得网络总算力的大部分并克服工作能量墙的比喻性证明，她也有很大的动力表现得很好。这是因为比特币挖矿是一项资本密集型且非常专业的追求。为了赢得区块奖励（更不用说实现多数哈希算力了），矿工必须投资高度可定制的硬件和芯片——专用集成电路 (ASIC)——这些硬件和芯片专为实现一个极其罕见的目标而打造：处理 SHA安全哈希算法 2 (SHA-2) 系列的 -256 哈希算法。就像飙车一样，它们不能轻易改变用途。

在这场计算机军备竞赛中进行投资后，理性的经济参与者总是会选择赢得区块奖励，而不是将其全部扔掉。使用算力来合作、破坏或破解比特币网络的区块链很可能会破坏大部分（不是全部）比特币的价值，从而烧毁矿工的投资和未来的利润。除了像小丑这样的漫画反派，很难想象有谁能真正拥有这种资源和技能的组合。

风险：挖矿中心化

如上所述，比特币挖矿已演变为资本密集型且非常专业的追求。激励结构使得遵守规则有利可图，而背叛的代价却高得令人望而却步。因此，比特币社区中的许多人并不认为比特币挖矿业已趋向于减少、规模更大的参与者。

话虽如此，如果网络的大部分算力最终集中在一个或几个司法管辖区，它确实增加了政府或合作政府干预的可能性。如果政府只是禁止比特币，政府将关闭其触手可及的矿工，比特币网络将继续前进，尽管至少在短期内总算力较低。更令人担忧的情况是，如果政府转而强迫矿工审查交易。这可能会削弱比特币的可替代性和无需许可的承诺。然而，如果发生这种情况，预计社区将分叉比特币，保留其最新的未掺杂区块链，并采用一种新的共识机制，该机制更能抵抗矿工中心化和所有随之而来的政府入侵和篡改。

风险：硬分叉

比特币的超级力量在于它是去中心化的——区块链的相同副本托管在世界各地被称为“节点”的计算机上——因此，不受任何人或公司的控制。但是网络去中心化（即抗审查）是有代价的。两个主要的是：网络可以处理的交易量（吞吐量）和交易速度（延迟）。比特币网络大约每 10 分钟能够处理多达 1 兆字节的交易数据。集中式网络（例如 Visa）能够提供更高的吞吐量和更低的延迟，但是，它极易受到审查，并且不具备点对点性质。

这种设计选择是由根深蒂固的信念驱动的，即较小的块大小会导致更多的节点参与网络，因为托管区块链的完整副本需要较少的计算能力和存储资源。比特币节点的数量越多，网络就越分散。

到目前为止，比特币社区一直抵制将其区块大小增加到超过 1 兆字节的尝试，但并非没有争议。紧张局势在 2017 年爆发，社区在这个问题上出现分歧，导致有争议的比特币现金硬分叉产生了一个新的、不兼容的区块链，区块大小为 8 兆字节。虽然比特币社区的大多数人继续支持权力下放，但社区在未来总是有可能对这个或另一个设计决定产生分歧，导致社区的某些部分硬分叉(Fork)。

话虽如此，正在进行中的项目，例如闪电网络(Lightning Network)，正在努力提高比特币的交易吞吐量并减少其延迟，同时保持其去中心化性质。现在还为时过早，但如果这个项目或另一个项目成功，它可能会极大地改变比特币网络的支付故事，两全其美。

风险：量子计算攻击

量子计算是对比特币目前用来保护自身安全的公钥加密方案的潜在威胁。然而，有好消息。抗量子计算攻击的后量子密码学已经存在。而且因为比特币是软件，可以随时升级，切换到这些后量子算法。任何真正的量子威胁也很可能提前出现，让比特币有足够的时间来适应。然而，如果这样的威胁在一夜之间成为现实，那么世界将比比特币网络安全本身更令人担忧。例如，所有卫星和指挥控制军事系统都将是脆弱的。因此，预计会有一个全球性的努力以强烈的一致性来寻找解决方案。