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减半后,BTC网络还安全吗?

2020-05-22 19:00:00

使用Nonce数据来估计目前网络上某些类型矿机的使用份额,并讨论老矿机的存在如何影响BTC的安全性。

编者按:本文来自 加密谷Live(ID:cryptovalley),作者:Coin Metrics,翻译:子铭,Odaily星球日报经授权转载。

核心要点

  • 区块奖励是目前矿工们的主要收入来源。奖励减半会导致一些矿工退出网络。短期内矿工数量的突然减少可能会使网络更容易受到51%攻击等安全威胁。 

  • 不同类型的挖矿矿机之间的算力分布也会对网络的安全性产生影响。二级市场上可依然购买的老矿机(即前几代矿机)对网络构成了潜在的威胁。

  • 涉及nonce分布的新型技术使我们能够从数值上估计出某些类型的矿机提供的算力,包括S7和S9老矿机。

  • 现在看来大量旧S9矿机已经被重新开启了。目前,Antminer S9系列的矿机约占BTC算力的32%。

  • 虽然老矿机S9所能产生的算力远达不到51%,但它们的存在给网络安全动态带来的变化是巨大的。

BTC减半 

5月11日,BTC迎来历史上第三次减半。该事件每隔21万个区块,即大约每4年就会发生一次,直到发行量最终趋近于零。

在这一次减半中区块奖励从12.5BTC降至6.25BTC。在减半之前的时间里市场发生明显波动,而减半过后市场波动有所缓解,总的来看该事件对网络安全的影响是较小的。

区块奖励目前是矿工收入的主要来源,因此奖励的减少会导致部分矿工退出网络。在收入减少的情况下,利润空间被收紧,效率较低的矿工可能会突然发现自己的运营出现亏损。从长期来看,随着市场趋向再平衡,这些低效率矿工通常会被高效率矿工所取代。但从短期来看,矿工的突然减少会使网络更容易受到51%攻击等安全威胁。

本文将讨论重点讨论减半对安全的影响以及运行旧挖矿矿机带来的经济影响。我们将使用Nonce数据来估计目前网络上某些类型矿机的使用份额,并讨论老矿机的存在如何影响BTC的安全性。

减半 vs 安全

BTC矿工通过区块奖励和交易费用两种方式获得收益,前者直接受区块奖励减半影响,而后者不受影响。交易费一般是区块空间需求的一个函数,因此在区块拥挤和流量大的时期,交易费往往会激增。

目前,交易费用占矿工总收入的比例很小。过去五年来,矿工收入中只有约4.4%来自交易费用。

减半后,BTC网络还安全吗?

Source: Coin Metrics Network Data Pro

随着BTC区块奖励大约每四年减半一次,这会使得交易费用增加,以激励矿工保证链上安全。在减半之前的短期内交易费用已经猛增(约占矿工总收入的17%),其增至近一年来从未见过的水平。

交易费用的增加可能被减半后算力的下降所放大,而这种下降又是由于效率较低的矿工离开网络而造成的。算力的下降短期内增加了挖出区块所需的时间(难度的调整是定期的),从而减少了可用的区块空间。

为了减少收益的不确定性,矿工们通常会选择接入矿池,矿池是由某个矿池运营商组织的“松散联盟”,在矿池中矿工通常根据算力的贡献来分配收入。矿工经常会因为某些因素而切换矿池,其中最受关注的是运营商收取的费用。

只要没有任何一个不诚实的实体控制着BTC一半以上的算力,这个网络就是安全的。在51%攻击的过程中,一个控制着超过一半以上算力的节点,会利用算力更改区块交易从而进行双花(double-spends)操作。

为了进行51%攻击所需矿池的最小数量被称为中本系数(Nakamoto coefficient)。此时网络上规模前4的矿池需要相互勾结才能达到51%的算力。在BTC的历史上,这个数字总体上是上升的,这表明去中心化程度在稳步提高。

减半后,BTC网络还安全吗?

Source: Coin Metrics Network Data Pro

中本系数并不是一个完美的度量标准,它会高估BTC的中心化程度。因为单个矿工会面临着矿机等资本的大量前期开销,这同样会让他们失去攻击网络的积极性,即这些矿工最后还是很可能选择从恶意操作的矿池中离开。 

然而,矿池会选择该组织中矿工将要挖的区块,并在一定程度上限制他们的离开以达到相对控制的目的。且攻击者还有可能通过类似于羽量级分叉(feather-forking)的技术,用不到网络一半的算力来改变历史交易。因此,有一个像中本系数这样的度量指标来量化矿工之间的中心化程度还是非常有用的。

Stratum V2是Betterhash的一个实现(但对原始协议进行了修改),它建议让单个矿工选择他们要挖矿的区块,而不是由矿池操作者来做。这种对矿池运营方式的潜在改进是把更多的权力掌握在个人矿工手中,进一步将网络去中心化。

除了不同实体之间的算力分配之外,不同类型挖矿矿机的算力分配对网络的安全性也有很大的影响。

强化矿机(Hardening Hardware)

BTC矿工们会试图找到一个nonce值(或任意值)从而将一个新区块添加到现有的区块链上,该nonce值会使区块头的哈希值低于目标值,而这些哈希值被计算和验证的速度被称为算力,满足这个条件的nonce被称为黄金nonce。理论上来说,黄金nonce是均匀地分布在潜在nonce和有效区块的空间中,区块头的哈希值必须满足的阈值,是由由网络的难度参数设定的,该参数根据区块在链上被接受的速度定期调整。

虽然挖矿最初是由CPU来完成的,但通过GPU这个过程在早期被并行化,挖矿也因此变得更加高效。如今挖矿几乎都是使用包含有专门芯片的挖矿设备进行的,这些设备被称为ASIC。与其他矿机相比,这些设备的速度明显更快,并行化能力更强,而且更节约能源。

旧式挖矿矿机的存在改变了目前BTC的安全模式,因为虽然后续运营成本较大,但需要的前期投资较小。即便除了矿机成本之外开办一个由老矿机组成的矿场,还存在着各方面的障碍(实际或其他后勤成本),但这些矿机的存在也使得进入市场的固定成本大大减少。

由于挖矿行业的匿名性,我们通常很难辨别出用来保障网络安全的挖矿矿机是哪种类型的。然而,最新的技术让我们能够从数字上估算出某些类型的矿机提供的算力。

我们可从BTC的nonce分布,推算出网络上被用来挖矿的矿机类型。通过将这些数据与二级市场上的矿机价格信息相结合,我们还可以量化出这些廉价且又稍微过时的矿机所带来的风险程度。

由于黄金nonce均匀地分布在所有潜在区块的nonce空间中,所以之前我们预期随着时间的推移,黄金nonce会呈均匀分布,但事实上其nonce分布却不是这样子的。

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Source: Coin Metrics Network Data Pro

在上图左侧附近,nonce集中分布在较低范围。这是CPU挖矿时代矿工们使用采样技术(sampling technique)的结果,即从零开始向上递增迭代来测试数值。

2015年,BTC的nonce分布首次呈现条纹状,最近这一形态才开始消退。该类条纹形状一开始是较宽的,然后突然收窄,然后逐渐消退。总共我们可看到四条明显的条纹,每条条纹的窄带和宽带都可以在图中确认。

这些条纹的出现源于Bitmain Antminer S7和S9矿机对黄金nonce的采样技术。这些矿机都曾一度是网络上的主导矿机,而S9的主导地位最近才被Antminer S17取代。

宽带和窄带分别是由于S7和S9系列矿机所使用的采样技术造成的,我们可以利用所获知的这些信息与该技术背后的原理从数值上估算出S7和S9所提供的算力在网络中的比例。

减半后,BTC网络还安全吗?

Source: Coin Metrics Network Data Pro

我们从上图中可以看到S7s及相关矿机提供的算力比例在2016年5月达到峰值(约为61%)。如今,S7s在全网算力的占比并不大。由S9s和相关矿机开采的区块比例在2018年5月达到峰值(约为78%)。而现在约32%的区块由S9s产生。 

这种估算方式是基于这样一种假设,即 S7s 与 S9s 均不在排除带内进行 nonce 值取值,而在排除带之外,所有矿机对 nonce 值的取值算法均是一致的。这些假设条件在CPU挖矿时代是不成立的,而从GPU挖矿开始似乎就一直存在。排除带是由人工确定的,并且对 0~100% 范围之外的估算值进行了校正和标准化处理。

估计值会受到一定量噪声的影响(我们可在图的左侧可以看到这一点)。2015年S9算力估计比例的小凸起可能是由于噪声造成的,也可能是其他事情发生的信号,比如实验矿机的测试。

每种类型的矿机提供的算力的比例,进一步印证了目前老矿机会威胁BTC安全的观点。

减半后,BTC网络还安全吗?

Source: Coin Metrics Network Data Pro

上图中最值得注意的是维护网络安全的算力呈指数级增长

S9s提供的算力估计值在2019年8月达到峰值,当时的算力为 52EH/s。2020年2月,S9s 的算力达到了谷底,约为21EH/s。

现在看来,已有相当数量之前已经离线的S9被重新开启,这很可能是最近BTC价格升值的结果。现在这种矿机算力为 37EH/s。

由于市场环境的快速变化,此时的各类矿机的算力分布是不会一直按照现状持续下去的。然而,我们的分析说明了在有利的条件下,使用老矿机进行挖矿的可行性,与部署该类廉价矿机的难易性。

现在S9矿机在二级市场上以非常低的价格在出售。这些矿机的二手价格在20美元到80美元之间,而其原价约为3000美元。考虑到如今的经济环境和因中国雨季所带来的廉价电力,矿工们发现这些设备的运行是有可能使他们获利的。

虽然之前已离线(现又投入使用)的S9产生的算力远不足以发起51%攻击,但它们的存在给网络安全动态带来的变化是巨大的。使用BTC 挖矿算法的其他平台可能会更强烈地感受到这种影响,包括BCH和BSV,目前这两个平台的安全计算力分别约为2.5EH/s和1.8EH/s。

BTC开启新纪元

在减半预期以及与机构对投资于BTC的兴趣逐渐增加的影响下,BTC的价格大幅上涨。自减半以来,BTC市场波动性有所缓解,但价格仍有继续上涨的趋势。此次减半也带动了交易费的上涨,并导致算力的下降。

与减半相关的情绪将继续影响市场,减半事件本身也将继续考验BTC能否成功过渡到,让矿工的收入主要依赖于交易费用的阶段。这一事件的长期影响还有待观察,但其对矿机经济和整个市场的影响已经很明显。

网络数据观察

各项指标概要

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Source: Coin Metrics Network Data Pro

BTC和ETH的交易费用继续攀升,但大多数其他指标与上周相比相对持平。

BTC的交易费用中位数在5月14日达到2.88美元,此为2019年6月以来的最高水平。同时,以太坊的交易费用中位数在5月14日达到0.25美元,此为2018年8月以来的最高水平。交易费用中位数往往会在区块容量拥挤时激增。关于这一飙升的原因,我们将在下文中进行探讨。

网络亮点探寻

BTC的算力在减半后已经跌至81.66 TH/s,与减半前的高点相比下降40%左右。正如本周的周报特稿所指出的,随着效率较低的矿工退出网络,算力的下降是可以预期的。它可能会在经过一段时间的洗牌期后恢复,在这段时间里,高效的矿工取代低效矿工。然而,目前还不清楚这一周转期究竟会持续多久。

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Source: Coin Metrics Network Data Pro

算力的下降使得BTC区块的平均时间间隔已经上升到了2018年底以来的最高水平(不包括2020年3月12日前后的区块间隔时间,因其区块时间间隔的增加是由BTC价格骤降和随后引起的哈希率的下降引起的)。

由于区块产生的速度变慢,因此区块空间的竞争也越来越激烈,这导致了交易费用的上涨。支付较高的交易费导致矿工将交易纳入区块的概率更高。因此,在区块空间处于溢价的时期,交易费用中位数往往会激增。

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Source: Coin Metrics Network Data Pro

区块总数的减少也导致了每个区块的大小增加。BTC平均区块大小在5月17日创下了1.32MB的历史新高。

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自BTC减半以来,以太坊交易费用中位数也出现了增长的迹象。然而,比特币现金(BCH)、比特币SV(BSV)、瑞波(XRP)和Litecoin(LTC)的交易费用中位数并没有出现明显的增长。

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Source: Coin Metrics Network Data Pro 

市场数据观察

BTC的表现已经连续三周超过了其他数字货币资产,并形成了一个不可忽视的趋势。虽然不能排除这种趋势只是价格随机游走的结果,但一个看似合理的解释是,BTC的储值属性在当今的市场环境中越来越重要。而且随着我们观察到机构投资者越来越多地将BTC纳入投资组合中,BTC也自然成为了机构投资者寻求数字货币投资的首选,并最终导致的数字货币资产作为一个独立的资产类别被采用。

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Source: Coin Metrics Network Data Pro

一种标的于通胀的看涨期权 

现在有一种新的说法:全球央行和政府采取了无与伦比的货币和财政政策的市场环境下我们需要BTC的存在。为了研究这一现象,我们展示了美联储资产负债表的年同比变化,突出了美联储对COVID-19的反应速度和幅度。此次美联储的政策反应已经超过了金融危机后前三次量化宽松计划中的资产负债表扩张。

减半后,BTC网络还安全吗?

同样,无论是基于调查指标(survey-based)的通胀预期,如密歇根大学的消费者调查,还是基于市场指标(market-based)的通胀预期,如TIPS得出的5年、5年远期通胀预期,都是被人们持续关注着。

在通胀上升的环境下,我们如何调和这样一种担忧:一方面BTC是通胀上升时期的抗通胀资产;另一方面通胀在短期内是不存在的,且中长期通胀预期是非常低的?根据美联储的消费者预期调查显示,通胀预期中位数并没有因COVID-19而发生重大变化,但受访者对通胀预期的不确定性都出现了前所未有的上升。

减半后,BTC网络还安全吗?

为了解释这一现象,我们可将BTC看成是一个以通胀为标的的看涨期权,并研究它的希腊指标:即期权价格相对于通胀的敏感性。即使对未来通胀水平的中位数预期保持不变,但未来通胀的潜在波动率是增加的。

标准的期权价格理论表明,标的物隐含波动率增加应该会导致看涨期权的价格增加。因此,我们可以将近期BTC价格上涨的原因归结为“预期通胀波动性的上涨”。

CMBI观察

本周CMBI和Bletchley指数都有非常好的表现,收盘时比前一周的收盘价高出5%至15%。在本周最大的消息是,BTC减半之后,CMBI BTC指数表现最强,回升14.4%。CMBI 以太坊指数也在本周表现强劲,收盘上涨11.9%。尽管有这两个强势的表现,但在市值加权指数中表现最好的还是小盘股Bletchley 40指数,本周收盘上涨12.1%。

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Source: Coin Metrics CMBI

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加密谷

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