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从因果关系而言,算法共识机制最先由创始人设定,随着区块链项目的发展,社群会逐步壮大,生态会逐步完善,在社群内会产生不同的利益诉求群体,需要通过决策共识机制实现项目的进一步发展 ;同时,随着区块链项目价值的增大,承载其价值的 token 定价日益市场化,需要市场共识机制发挥作用。决策共识机制和市场共识机制可统一纳入现有经济管理框架内(社会治理、激励相容、资产定价等),而理解通过机器语言表达的算法共识的经济学含义具有深刻的现实意义。
不同算法共识的经济学含义
当前萦绕在区块链行业内的一个阻碍是机器语言和经济语言之间的鸿沟。机器语言的编程人员对经济学缺乏了解,同时经济学工作者由于看不懂代码和技术图又难以对区块链经济系统进行修正和完善,这深刻地阻碍了兼具技术属性和经济属性的区块链的发展。从经济学角度阐述区块链的算法共识具有深刻的理论和现实含义。
(一)工作量证明机制 (POW) 及其经济学含义
POW 在区块链系统中成熟的标志是 2009 年比特币主网的上线。作为区块链最为经典的共识机制其核心思想是通过去中心化节点的算力竞争来保证系统交易数据的一致性,驱动算力竞争的经济激励是获得下一区块的记账权和该系统自动生成的 token 奖励。就比特币区块链而言,工作是指求解复杂但是验证容易的 SHA256 数学问题,在算法上这一问题的求解被标准化。生产方式的标准化推动了分配方式的标准化。
POW 的思想由来已久,即通过增加经济成本来提高市场诚实参与者的比重,以此来筛除非诚实节点。1993 年 POW 的思想被用来解决垃圾邮件问题,要求邮件发送者必须算出某数学题答案来证明发送邮件者的诚实度 , 提高恶意邮件发送者成本。1999 年 POW 的概念被正式提出,这为POW在区块链系统中的应用奠定了坚实的基础。POW 的运行模式和分配制度生动地再现了数字经济范式下的马克思劳动价值论和按劳分配制度 :商品价值由无差别的一般人类劳动凝结而成 ;在数字经济时代,无差别的一般人类劳动很大程度上并非由人类直接劳动完成,而是基于算力实现。与生产方式相对应,分配到 token 的数量与市场参与者贡献的算力成比例。2008 年的国际金融危机是比特币和区块链产生的直接原因,而POW也体现了区块链经济系统对由中心化的财政政策和货币政策主导的信用经济体系的反对与抵触。此外,POW 需要部署矿机、开发芯片、建设产业园,这会带动整个产业链经济的发展,有助于区块链实现脱虚向实、赋能实体,也更容易被传统经济和金融业接受。2019 年11 月比特币矿机生产商嘉楠科技在纳斯达克挂牌上市,成为“全球区块链第一股”。
同时,POW 也引起了广泛争议,包括强大算力造成的巨大电力消耗。根据 2018 年 5 月Arvind Narayanan 向美国参议院能源和自然资源委员会提交的报告,当时比特币挖矿每天消耗的电力约为5GW,已接近全球耗电量的 1%。而随着比特币下一个减半周期的临近,算力增长非常迅速,这造成了更大程度的电力消耗。另一个方面,POW的支持者们认为,标准化后的电力是全球通用的一般性产品,算力和电力凝结了无差别的人类劳动,这是基于 POW的区块链产生的 token 区别于“空气币”的重要原因,持续增长的算力这也反映了社会对比特币的共识程度增强。但毫无疑问的是,在人类能源问题的解决取得突破性进展之前,POW 区块链项目无法大规模采用 POW。近年来,包括以太坊在内的部分区块链项目都启动了从POW 向其他共识机制的转换路线。
采用 POW 的另一个问题是区块链系统难以实现商业化应用。比特币的出块时间约为 10分钟,当大量的交易发生时不能被及时确认。即使此后诞生的基于 POW 的区块链做出了一定程度的改进,如莱特币的出块时间缩短为 2.5 分钟,但仍难以满足商用需求,这也为 POW的推广带来了很大困难。尽管 POW 存在能耗大、出块时间长等问题,但其理念得到了一定程度的认可,不少新的区块链项目在原生 POW 的基础上进行了共识算法的改进,主要的改进方向是降低能耗和提高出块速度。实现这一改进有三条基本的经济路径 :一是直接增大市场容量,同时等比例提高市场交易和数据处理速率。这种路径只能提高出块速度,对能耗没有直接影响。二是基于 POW 产生区块链经济系统的“关键少数”,“关键少数”在一定时期内随机更新,由“关键少数”完成剩余的记账等经济活动,这部分经济活动的数据可能不在主链上。这种经济路径既提高了出块速度,又降低了能耗。三是将区块链系统进行分片(Shard) 处理,将全部的市场经济活动分区并行处理和存储。这种经济路径既提高了出块速度,又降低了能耗,但破坏了每个区块内保存交易数据的完整性。
2016 年 3 月在 POW 基础上产生的一种新型共识算法 Bitcoin-NG 将时间切分为不同的时间段,在各时间段上由一个领导节点负责区块生成和交易打包。Bitcoin-NG 中包含了用于选举领导节点的关键区块和包含交易数据的微区块这两种不同的区块:关键区块基于 POW生成 , 关键区块选举产生领导节点,领导节点被允许以小于预设阈值的速度生成微区块。Bitcoin-NG 在经济层面的解决思路与“隔离见证 + 闪电网络”相似,即不改变区块的市场容量,通过选举领导节点放弃某一时间横截面上的去中心化,提高了生成区块的效率 , 从而间接增加了市场容量。
2016 年 10 月提出的 Elastico 作为第一个基于拜占庭容错的安全分片协议,通过将全区块网络进行分片增强系统的可扩展性 , 其思路是将区块链网络隔离为多个分片 , 这些分片可并行处理互不重合的经济交易集合。分片改变了区块链系统的出块和存储结构,尽管提高了出块速度、降低了能源消耗,但破坏了每个区块内保存交易数据的完整性。
2017 年 在 Elastico 共 识 的 基 础 上,Omni Ledger 提出 ByzCoinX 共识,通过一种抗预测的公共随机协议选择具有统计代表性的大型分片处理经济交易,并引入跨分片提交协议进行原子级交易处理。ByzCoinX 共识结合了 Elastico 共识和选举类共识的优势,通过并行跨分片数据处理优化区块链系统性能 , 是一种既能提供可扩展性而又不必长期去中心性的架构。沿着将选举类共识融入 POW 类共识的发展路径,消逝时间证明共识机制 (Proof of Elapsed Time, POET)、运气证明共识机制 (Proof of Luck,POL)、空间证明共识机制 (Proof of Space,POSP) 以及有益工作证明共识机制(Proof of Useful Work, POUW) 等无须消耗算力进行挖矿的算法相继诞生。在现阶段去中心化、高效率、安全性三者不可兼得的情况下,基于 POW 类共识机制的区块链项目必定要有所取舍。尽管当前 POW 类共识效率低、能耗高等缺陷难以根除,但 POW 仍是历史最久、影响最大的共识机制,被广泛接受的工作量仍然为区块链项目的价值提供了坚实的支撑。
(二)权益证明机制 (POS) 及其经济学含义
2011 年 7 月 , 名叫 Quantum Mechanic 的区块链爱好者在比特币论坛中首次提出了POS 算法共识。在 2012 年 8 月诞生的点点币是首个基于 POS共识机制的区块链项目,由该经济系统中具有最高权益的节点获得记账权 , 其中的权益表现为节点对该区块链系统token 的所有权 , 称为“币龄”(Token day),类似于传统金融中的股权治理机制,只是将时间因素囊括其中。在最经典的 POS 机制中,“币龄”等于 token 的数量乘以持有时间 :Token day=Token*Timeweight。在 POS 的改进版本中,“币龄”在其原始经济含义的基础上根据不同项目做了不同程度的修改。截至 2019 年 6 月,全球已有超过 400 个区块链项目采用 POS 共识机制,总市值超过 140 亿美元。考虑到以太坊等项目正在从 POW 向 POS 转换,而以太坊又具有最丰富的经济生态,未来 POS 类共识可能成为最主流的共识机制。
POS 共识机制诞生初衷是克服 POW 共识机制的不足,事实上也在一定程度减轻了出块速度慢和能源浪费等问题,同时进入门槛较 POW 更低,对中小节点更加友好,中小节点不需要部署矿机和厂房即可参与记账。但是也存在一定的缺陷 :第一,初始的 token 分配方式存在问题。不同于POW 通过算力竞争记账权,POS 的初始分配方案难以机制化。一般而言,在 POS 项目发展的初期,难以对 token 进行广泛的社会化分发,只能集中在少数的项目创始人及重要利益相关者手中。第二,不同于 POW 验证节点作恶具有成本的约束机制,POS 验证节点作恶的成本在 token 价格较低时非常低。对于作恶低成本带来的问题是作恶节点会频繁出块和签名,或者在多条链的分叉上签名,并为获得更多奖励攻击区块链系统,即所谓的“无利害攻击”(Nothing at Stake)。第三,在 POS 共识中,需要足够的节点对token 进行 持有才能维护系统的健壮与安全,区块链经济系统才有良性发展的空间。这会导致以下两个问题 :一是,POS 项目在早期参与者较少,如果 token持仓的集中度非常高,则很有可能出现数量很少的记账节点垄断出块的现象,这会极大提高区块链的系统性风险。二是,即使 token 的持仓分布较为合理,但并非所有节点都是记账节点。受限于持仓量、成本和专业度等因素,token 持有人往往会选择将 token 委托给节点运营商(包括数字货币钱包提供商、数字货币交易平台、第三方服务提供商等)管理,由节点运营商代为行使出块、投票等权利,而 token 持有人享有分红等权利,这也就是所谓的“Staking Economy”。2019年 3 月,Coinbase Custody 对基于 POS 共识的区块链项目Tezos 为客户提供 token 托管服务,扣除相关费用后,投资者的年收益率约为 6.6%。
对 POS 共识机制的改进主要针对其三个缺陷进行,但对三个缺陷进行改进的难度各不相同。初始的 token 分配方式问题是 POS 共识的内生性问题,解决方式一般是先采用 POW共识机制,在生态发育良好后再向 POS 共识机制转化。对于token 持仓量的分布性问题则需要依靠经济激励和营销渠道去解决,在现实中很多非法集团采用传销去解决这一问题,这事实上给区块链行业带来了巨大的负面影响。如何从经济模型上设计一套完善的初始 token 分发机制进而形成合理的 token持仓分布是进一步完善 POS 共识的关键。
对于“无利害攻击”则主要从算法上对 POS进 行 修 正 解 决, 形 成 了 Tendermint、Casper、Ouroboros、Tezos 和 HoneyBadger 等新型共识算法。原始 POS 算法共识假设系统节点在长期是静态和稳定的 , 这在现实区块链系统中并不存在。2014 年诞生的Tendermint 共识将动态验证器集合和循环领导节点选举纳入 POS 共识 , 为解决“无利害攻击”这一弊病 ,Tendermint 节点须缴纳保证金 , 若有作恶行为保证金则会被没收。同时,Tendermint 基于 PBFT 共识算法 , 可抵御区块链系统中三分之一的作恶节点攻击,具有较好的鲁棒性。2016 年诞生的 HoneyBadger 算法是可在无任何网络时间假设的前提下实现经济系统的活性,同时可实现渐近有效性的原子广播协议 , 每秒交易量(Transactions Per Second,TPS)可到达万量级。2017 年 8 月诞生的 Ouroboros 提出了一种新型奖励机制驱动 POS 共识机制 , 使得诚实节点的行为趋近纳什均衡 , 可有效抵御区块截留和自私挖矿等矿工策略性行为导致的安全攻击。
(三)委托权益证明机制 (DPOS) 及其经济学含义
DPOS 共识机制本质上属于 POS 类共识,为克服 POS 在区块容量、出块速度等方面的局限而产生,但因其在经济模式上的创新和现实中的影响一般将其视为一种新型共识机制,2013 年 8 月由去中心化的数字资产交易所 BitShares 首次提出。DPOS 共识的基本思路类似我国的人民代表大会制度 , 采取民主集中制的原则,区块链系统中的每个 token 持有者都有选举出块节点的权利 , 也有被选举成为出块节点的权利。在比特股中,出块节点的数量是101 个,在愿意成为出块节点的所有节点中获得投票前 101 名的节点将成为出块节点 , 按照既定时间表轮流对交易进行打包、结算及出块。出块节点的义务包括提供带宽及算力、参与出块过程、维护系统安全等。出块节点可通过出块获得区块奖励和交易费用,但若token持有者认为出块节点未能履行义务,其记账权会被取消,由得票最多的候选节点递补。每个出块节点服从相同概率随机获得出块记账机会,被抽中时有 2 秒权限生成区块、完成记账。若出块节点未能按时出块,出块权限则交给下个时间区间对应的出块节点。出块节点按照最长链原则选择在高度最高的区块后添加自己的区块。DPOS共识机制由于减少了出块节点的数量和出块时间,可实现 VISA 和 MasterCard 级别的数据吞吐能力。
BitShares 采用的原始 DPOS 共识在每个时间区间都是由单个记账节点完成,尽管记账节点被随机抽出,但仍有作恶的可能性。2018 年 6 月主网上线的 EOS 在原始 DPOS 共识的基础上融入拜占庭容错算法,采用了 DPOS-BFT 共识,在投票选举出记账节点的基础上,使用 BFT 类算法在记账节点间形成共识。EOS 共有 21 个出块节点,BFT 类共识可对 1/3的记账节点容错,即任一区块得到 15 个及以上的记账节点确认即可最终确认。[18]
DPOS 共识机制能解决 POW 共识的能源消耗和联合挖矿对区块链系统去中心化构成威胁的问题 , 也能弥补 POS 共识中部分拥有记账权益的节点只关注收益率而不希望参与记账的缺陷 , 对高效率、去中心化、灵活度等系统重要经济目标取了一个内部解的折中方案。但是DPOS 共识机制由于记账节点数量有限并且公开,攻击者想要发动攻击较为容易,记账节点需要额外保护措施,增加了节点运行成本。此外,区块链原教旨主义者认为 DPOS 共识机制破坏了比特币区块链去中心化的特征,是向中心化经济系统的妥协。
(四)有向无环图 (DAG) 及其经济学含义
有向无环图指任意一条边有方向、不存在环路的图形结构。DAG 共识机制改变了区块链系统的市场结构,DAG 中的交易单元包含了交易、签名及父辈单元信息,交易单元间以哈希相关联,在经济系统中不存在区块概念,自然也没有出块、打包等过程,DAG 通过用户间相互确认缩短交易确认时间。在 DAG 共识机制中所有交易都并发进行,无交易吞吐量瓶颈限制,节点越多交易确认速度越快,在链式结构无此类优点。DAG 结构和链式结构本质上都是分布式结构,其本质区别在于账本的异步性与同步性 :DAG 作为一种典型的谣言传播算法,通过在节点间发送账本数据,将记账行为进行异步处理来增加数据吞吐量 ;链式结构则是实现定期同步检查点的数据库同步机制。[19]
DAG 共识机制通过以下步骤防止双重支付 :第一,节点尝试使用两个相同的输出单元时,当其中一个单元包含另一个单元时、且有先后顺序时,则直接拒绝后面单元。第二,两个相同的输出单元,无先后顺序,则在整个 DAG 经济系统中,建立总顺序后,出现早的单元得以确认,出现晚的单元无效。第三,设置总顺序的定义,相同地址发布超过一个单元时,要求每个后续单元包含所有先前单元。第四,若节点恶意发布顺序相同的两个单元,无论这两个单元输出中有无相同字符按照全网总顺序处理,后续单元 无效。第五,若用户按照协议尝试同一输出两次排序后生成单元,则按照本身顺序,晚生成单元无效。
DAG 在革新数据结构和记账方式的同时,也存在一些问题 :第一,无法保证交易状态的原子性和账本的统一性。从时间维度而言,可能存在某节点在确认某笔交易时候,其交易确认时间无法估计 ;从节点维度而言,可能存在某节点没有被广播到某时间的交易信息,从而导致交易无法更新。第二,在并行处理模式下,随着交易量增多,DAG 数据结构会日益复杂,对安全性提出的要求也会日益增加。
总结而言,不同算法共识的经济学含义都是解决“谁有记账权”和“在分布式系统中如何同步账本”这两个核心问题,在 POW 共识机制提出问题的解决方案后,POS、DPOS 以及DAG 等新型共识机制试图对 POW 的缺陷进行改进,或对于区块链经济系统的不同政策目标进行取舍。同时,不同算法共识具有融合的趋势,尤其以 POW与 POS 共识机制的有机结合最为突出,POW 解决了 POS 的初始 token 分配问题和作恶节点成本低问题,而 POS 在一定程度减轻了 POW 出块速度慢和能源浪费问题。此外,若在 POW 的基础上引入 POS,则将区块链系统的安全性建立在诚实节点拥有超过一半权益的基础上,即同时掌握超过 51% 的算力和权益才能发起 51% 攻击。
如何协同区块链三种类型的共识机制
区块链作为一项蕴含经济学内核的技术,理解其共识机制的经济学含义、优化共识机制的经济模型设置对推进区块链技术落地、赋能实体经济发展具有重要意义。狭义上的区块链共识机制指算法共识,算法共识是构成区块链的必需要件,也是区块链项目的基本面之一。但同时“人的共识”——决策共识和市场共识,也在区块链的发展中起到不可替代的作用。决策共识起到对算法共识不断修正的作用,决策共识的收敛与否决定了算法共识的稳定性。市场共识代表了区块链系统内的利益相关者通过“用脚投票”的方式表示对该项目的认可程度。当前将区块链共识机制狭义化的现状割裂了三种不同类型的共识机制,对区块链的深化发展造成了阻碍。
区块链三种共识机制的割裂本质上体现了链上治理与链下治理的分离。任何一个区块链系统都在时刻与外界进行着信息与价值交换,即使是公有链也会受到链外中心化设施的影响,因此完全意义上的去中心化是不存在的。自 2009 年区块链正式诞生,决策共识治理机制缺失导致的各种分叉和市场共识缺失导致的 token 价格暴涨暴跌深刻地影响了区块链的演进与嬗变。此外,围绕区块链的法律、政策等链下治理设施对链上的算法共识也有重要影响。因此,推动促进区块链三种类型共识机制的协同发展对于贯彻落实习近平总书记区块链重要讲话精神具有积极意义。
第一,要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口,强化基础研究,着力攻克一致性、可用性和分区容错性三者难以兼容的技术瓶颈,不断完善现有算法共识,根据形势创建适合应用场景的新型算法共识机制,加大人员和资金投入力度,进一步打通创新链、应用链、价值链,加快推动区块链技术和产业创新发展,着力推进区块链同人工智能、物联网、大数据等前沿科技的深度融合。
第二,为区块链决策共识机制的建立提供完善的基础设施和健全的法律政策环境,着力提高社会对区块链的接受程度和认知水平。探索实现区块链项目利益相关者同区块链项目的激励相容机制,提升我国在决策共识形成过程中的国际话语权和规则制定权,对有价值、有意义的区块链分叉保持开放态度,保持和巩固中国在主流公有链挖矿产业的领导地位。
第三,尽管联盟链是我国区块链落地的主要方式,但仍应正视公有链在技术创新、微观治理等方面的重要作用,通过市场共识引导建立均衡的算法共识和决策共识机制。加大对公有链和联盟链的混合链的研究和实践,在充分利用联盟链许可性和监管性强的基础上,将可公开的数据放到公有链上,接受公众监督,落实十九届四中全会将数据作为生产要素和分配要素的决定。
(吴桐:中央财经大学金融学博士,CECBC区块链专委会副主任、数字经济商学院院长,数字资产研究院学术技术委员会委员)
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