从拜占庭将军问题说起比特币的能源消耗

原创 | 点宽书院作者| 秦立春

全文4131字，推荐阅读时间11分钟。

2009年1月，比特币创世区块诞生。 十几年后，比特币开始频繁出现在人们面前。 上一次比特币出现在人们的视野中碰撞比特币私钥，伴随着一个令人瞠目结舌的数据：比特币的年耗电量达到了惊人的115.54twh，相当于供应100万人口的三峡水电站一年的发电量人们。 县城可使用约130年。 在碳中和的大趋势下，比特币的能源消耗及其所谓的对环境有害的碳排放水平再次将其推上了风口浪尖。 为什么比特币会产生如此大的能源消耗？ 要回答这个问题，就要从所谓的“挖矿机制”说起。

在比特币世界中，比特币网络通过“挖矿”产生新的比特币。 所谓“挖矿”，本质上是用计算机解决一个复杂的数学问题，以保证比特币网络分布式记账系统的一致性。 比特币网络自动调整数学题的难度，使整个网络大约每 10 分钟得到一个合格的答案。 然后比特币网络会产生一定数量的比特币作为区块奖励，奖励给第一个得到答案的人。

作为一种预先约定总量（2100万）的虚拟货币，截至今天，比特币已经开采了88%以上。 为了保证比特币资源在短期内不会枯竭，比特币对奖励机制做出了规定：比特币奖励采用二分法。 在比特币早期，区块奖励是 50 个比特币。 诞生10分钟后，会产生第一批50个比特币，此时的货币总量为50个。随后，比特币以每10分钟50个左右的速度增加。 当总量达到 1050 万（2100 万的 50%）时，区块奖励减半为 25，以此类推。 今天，比特币区块奖励已经从 50 减少到 6.25。

随着奖励数量的减少，想要获得更多的比特币奖励，就必须增加“挖掘机”的数量，对应的是更高的能源消耗。

然而，“挖掘机”数量的增加，其实只是能源消耗问题的表象。 造成这种情况的最深层原因需要回到挖矿机制的本质——基于算力竞争的“工作量证明”。 要搞清楚什么是“工作量证明”，我们需要回到比特币诞生之前，研究信息传播领域困扰计算机科学家数十年的一个问题——拜占庭将军问题。

所谓拜占庭帝国问题是计算机科学家Leslie Lambert在研究分布式系统的容错能力时虚构的一个背景故事。 ，为了抵御外敌的入侵，各军相隔甚远，将领只能靠使者传话。 当战争爆发时，只有半数以上的将领达成共识，才能取得战争的胜利。 但是，每支军队中都可能有叛徒或间谍。 这些叛徒或奸细可能会策反将军或篡改情报，传递错误信息，干扰其他将军的判断。 当帝国下令攻占邻国，但具体时间交由将领们自行商定，且已知有部分成员叛变时，将领们面临着如何在不受帝国影响的情况下达成多数共识的问题。叛徒。 这就是拜占庭将军问题。

拜占庭将军问题其实是想说明人们在互联网语境下需要与陌生主体进行价值交换时，如何采取措施避免被有意为之的人欺骗和迷惑而做出错误的决定。 也就是说，在没有可信的中央服务器和可信通道的情况下，节点之间如何达成共识。 总结起来，拜占庭帝国问题要解决的是互联网交易合作过程中的四个核心问题：

1、信息发送的身份溯源； 2.信息隐私；

3、不可伪造的签名； 4.发送信息的规则。

区块链的出现为这四个核心问题提供了解决方案。 在中本聪提出的比特币概念中，利用加密技术解决了四个核心问题中的前三个碰撞比特币私钥，即信息发送的身份溯源、信息的隐私性和不可伪造的签名。 基于哈希算法的“工作量证明”，也就是文章开头提出的比特币能耗问题的根本原因，为信息的传递设定了规则。 两人共同为拜占庭将军问题的解决做出了贡献。

先从区块链采用的加密技术说起。 密码技术体系有很多分类。 但基本上可以分为对称加密系统和非对称加密系统两大类。 其中，对称加密算法应用较早，技术成熟。 在对称加密算法中，数据发送方将明文（原始数据）和加密密钥结合特殊的加密算法处理，变成复杂的加密密文发送出去。 接收方收到密文后，如果想要解读原文，需要使用加密密钥和相同算法的逆算法对密文进行解密，恢复为可读的明文。 在对称加密算法中，只使用一把密钥，发送方和接收方都使用这把密钥对数据进行加密和解密。 这就需要双方事先协商确定密钥，以保证一方的加密可以被另一方使用。 一方解密。

非对称加密算法使用两对完全不同但完美匹配的密钥——公钥和私钥。 使用非对称加密算法对文件进行加密时，只需使用一对匹配的公钥和私钥即可完成对明文的加解密过程。 公钥用于加密明文，私钥用于解密密文。

与对称加密算法相比，非对称加密算法耗时长、速度慢，只适用于加密少量数据。 但是，在安全性方面，非对称加密算法具有对称加密算法无法比拟的优势。 具体来说，对称加密算法在加密和解密过程中使用相同的密钥，这就要求加密方在将密钥发送给解密方时，必须有一个独立的、不可监听的安全通信通道。 而且，在向多个解密方发送信息时，加密方必须使用不同的密钥值对信息进行反复加密，然后分别将密钥发送给解密方。

在非对称加密算法中，加密方先用自己的私钥对信息进行签名，解密方将自己的公钥发送给加密方，然后加密方使用解密方的公钥对文档进行加密。 由于任何用解密方的公钥加密的信息都只能用解密方的私钥解密，所以即使解密方的公钥被他人知道，信息也不会泄露，所以公钥可以通过非安全通道发送。 解密方收到信息后，用自己的私钥对信息进行解密，同时用加密方的公钥验证加密方的签名。

比特币采用非对称加密算法。 该算法通过对加密方私钥签名的加解密，解决了信息传输中的身份追踪问题。 加密和解密过程解决了发送信息的隐私问题。 密钥解决了不可伪造的签名问题，这是拜占庭将军问题四个核心问题中的前三个。

现在还有最后一个问题——发送信息的规则，即各个节点在通信过程中如何确定发送信息的规则，以保证在信息传播过程中能够达成共识。

区块链解决这个问题采用的方案是在发送信息时增加成本，使得在一定时间内只有一个将军可以广播信息，忠诚的将军看到信息就会做出决定，不会发布新的那些。 信息，通常用于传播信息。 这里加入的成本，就是我们在文章开头提到的比特币能耗问题的深层次原因——基于随机哈希算法的“工作量证明”。

首先，我们来了解一下什么是哈希算法。

散列（Hash）又称为散列。 哈希算法主要用于将任意长度的输入转换为固定长度的输出。 该输出值称为散列值。 它反映了一种数据压缩映射关系。 简单的说就是将任意长度的消息压缩成一定长度的消息摘要。

例如：

哈希算法虽然叫做算法，但其实更像是一种思想，因为它没有固定的公式，任何符合哈希思想的算法都可以称为哈希算法。 它具有以下四个特点：

1、转发快：给定明文和哈希算法，在有限的时间和资源内计算出哈希值，同一输入的输出结果一致，效率高。 2. 不可逆性：给定任何哈希值，都很难在有限的时间内逆向明文，即已知输出无法逆向输入。 3、输入敏感性：如果输入的数据信息稍有修改，输出的哈希值也会发生明显的变化。 4、防冲突：几乎不可能任意输入不同的数据，输出的哈希值几乎不可能相同。 如果给定一个数据块，要找到哈希值相同的数据块，几乎是不可能的。

哈希算法的特性使其成为区块链记账过程中常用的方法。 记账时，区块链首先将账户页面信息（包括流水号、记账时间、交易记录）作为原始信息进行Hash，得到一个Hash值。 账户页面信息和Hash值组合在一起形成第一个区块。 在记录第二个账户页面时，哈希函数会将前一个区块的哈希值和当前账户页面信息一起作为哈希的原始信息，这样第二个区块不仅包含这个账户页面的信息，还间接包含第一个块的信息。 依次按照这个方法继续记账，组合起来形成区块链，容易验证（只要验证了最后一个区块的哈希值就相当于验证了整个账本），并且不可更改（任何交易信息改变，都会改变后续所有区块的Hash值，从而无法通过验证）。

简单了解了哈希算法之后，我们再来说说“工作量证明”。

比特币的本质是对记账行为的奖励。 节点每一次成功的记账行为都可以获得一定数量的比特币（现在是6.25）。 为了限制比特币的规模，比特币采用了一些规则来限制记账行为：

1. 一段时间内（约10分钟），只有一个人可以预订成功。 2、通过算力竞争获得唯一记账权，解决密码学问题（即工作量证明）（区块链只接受前几位为0的哈希值，其他哈希值无效）。 3. 其他节点可以自由复制记账结果。

这三个规则中的第二个是前面提到的工作量证明。 哈希值是由数字和大小写字母组成的字符串，每一种都有62种可能（可能是26个大写字母，26个小写字母，10个数字中的任意一个），假设任意一个字符出现的概率是相等的，那么概率第一位为0的是1/62，理论上需要62次哈希运算才能得到这个哈希值，而区块链要求前几位必须为0，而0的位数也会随着增加而增加的计算能力。

以#493050区块为例，该区块前18位为0，也就是说理论上计算哈希值需要62的18次方。 这么大的计算量，保证了十分钟左右的记账间隔，也保证了发送消息的规则的执行。 拜占庭将军问题的最后一个核心问题已经解决，这也意味着拜占庭将军问题已经彻底解决。

但是，在通过区块链的“工作量证明”解决拜占庭一般问题的过程中，又出现了新的问题，这就是我们文章开头提到的能耗问题。 哈希值计算过程中如此大量的计算，必然需要大量的计算设备、电力等，对应的能源消耗过大。 同时，国内电力成本低，相对收益更高，这也使得比特币的能源消耗问题在中国尤为突出。

即便是在碳中和的背景下，只要比特币的价格居高不下，还能盈利，想要控制能源消耗也不是现实的事情。 而随着下一个总“中点”的到来和算力的提升，这种能耗只会越来越大。 “窃电挖矿”的消息不断爆出，在起到一定警示作用的同时，似乎也预示着在一段时间内试图完全停止比特币交易的尝试可能不会达到预期的效果。

参考文献： [1] 张浪，区块链+商业模式创新及全行业应用实例，中国经济出版社，2019.01，第7-8页 [2] 韩不为，区块链重塑经济的力量，中国铁道出版社，2016.12，第111-113页 [3] 密码学的哈希算法（来源：csdn） [4] 比特币私钥、账户和钱包（来源：csdn） [ 5] 漫画：什么是拜占庭将军问题？ （来源：csdn） [6] 区块链如何实现技术去中心化？ （来源：csdn） [7] 密钥、私钥、公钥的区别（来源：csdn） [8] 深入探讨拜占庭将军问题 | Babbitt [9] 区块链记账原理 | 登联社区 | 区块链技术【10】如何挖比特币（挖矿原理）-工作量证明| 登联社区 | 区块链技术简单讲解

- 本期作者 -

挖掘更多

挖掘更多

量化投资丨[线上]初级丨[线上]丨[线上]金融丨[线下]深圳暑期/国庆丨

人工智能丨[录音]丨[录音]

大数据丨[离线]丨[录制中]丨[录制中]丨[录制中]

金融基础[线下]丨[线上]丨[录制中]

认证培训丨

© DigQuant

点击“阅读原文”，登录官网，一起解锁更多金融科技姿态：涵盖Python、金融基础、量化投资、区块链、大数据、人工智能。 挖掘更多，了解更多！不要忘记连续“喜欢”，“观看”和“分享”