区块链：4矿池算力集中问题及51%攻击问题

Posted 2021-05-25 DonquixoteXXXXX

区块链：4、矿池算力集中问题及51%攻击问题

一、矿池算力集中的问题

1、矿工及任务

以公共区块链分布式账本为基础的加密货币，如比特币、以太币等,需要靠分布在世界各地的矿工(mine)不停地运作来维持系统功能。

所谓矿工,就是运行加密货币软件的计算机节点。

矿工们主要完成两种任务

	1、计算和校验交易，并生成账本的区块数据；
	2、矿工之间的计算竞赛,以决定谁的区块为“正选”数据。

前者的作用是维护加密货币协议的基本功能，后者对账本数据本身没有意义，但可以激励矿工们继续挖
矿来获取更多的货币收益。

比特币是最早把这两种任务巧妙结合起来的系统，使得挖矿(币)和记账成为不可分割整体，矿工在努力挖矿的同时也完成了账本区块数据的生成工作。

早期的矿工由一些技术爱好者组成，他们提供机器用于分布式记账。到了后期，挖矿已经发展成为一种职业，组成了专门从事挖矿的团队。

由于挖矿得到的货币数量和机器的运算能力大小成正比，因此从概率上看，采用越快速的硬件，在所有矿工中算力的占比越高，就能够获得越多的货币。

矿工们为了获得更高的收益，彼此之间在算力上进行较量，算力低的矿工会因挖不到币而逐渐被淘汰出局。从参与的硬件上看，最开始矿工们采用通用的CPU (中央处理器)来挖矿。后来大家发现GPU (图形处理器)能够提高并行计算能力和吞吐量，效率更高，于是纷纷采用GPU挖矿。再后来，出现了专门为挖矿设计的集成电路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 芯片，目前已经成为挖矿行业主流的硬件设备。

随着全网算力的不断增加，单打独斗的小矿工已经没有规模优势,挖到加密货币的时间非常不确定，运气不好的话可能要几年才能挖到一个有效区块，有点像买彩票中奖一样。

2、矿池

为了使收人更加平稳，矿工们可以组成矿池(Mining Pool),由矿池管理者统一分派挖矿的计算任务，挖到的币都归矿池管理者所有。

矿池管理者根据各个矿工贡献的算力比例，定期分配挖矿的收入。矿池已经成为加密货币区块链网络算力的主要来源，零散的矿工由于经济上不占优势，基本上已退出了挖矿的行列。

3、矿池的问题

矿池能够给矿工带来相对稳定的收入，但是也带来了新的问题。矿池把原来分散的算力集中起来统一管理， 这违背了区块链的去中心化原则，在矿池规模不断增加的过程中，有的矿池在全网的算力达到了相当大的比例，甚至排前几位的矿池的算力总和可以超过全网的51%。

从理论上说，如果能够控制整个网络达到或超过51%以上的算力，就可以控制区块链的记账权。这样比特币等加密货币依赖的分布式记账方式将被破坏，同一个货币可以多次使用(即重复花费，也叫双花，doublespend)，这样，信用体系将不复存在，加密货币体系将被彻底摧毁。

但实际上比特币等加密货币的PoW共识算法，因其具有一定的随机性,有时也称作彩票算法

二、51%攻击问题

矿池算力集中产生51%攻击问题，准确来说，应当是50%+问题，从原理上看，只要能控制全网50%以上算力，攻击者将可以修改账本和阻止他人挖矿，从而威胁到整个系统安全。

1、如何劫持

那么拥有50%以上的算力是怎样劫持区块链的数据的呢?一种方法是通过分叉( forking)的方式。

如图9所示，正常的矿工在区块链上挖矿，攻击者把自己的货币花掉(购买服务商品等),这笔花费会记录在区块链的数据中，假定交易记录在区块4中。攻击者这时暗中伪造另一条区块链的数据，将自己地址上的货币重新转账到其他地址，记录在自己伪造的区块4a中。

由于在算力上的优势，攻击者比网络中其余的矿工计算得更快，从而得到一条更长的区块链数据，如图9中区块4a到区块7a为攻击齐的链，比其余矿工的链(区块4到区块6)更长。
在公共区块链中，最长的链始终代表正确的分支，攻击者只要把自己的较长的区块数据发布到网上，其余矿工就会认同攻击.者的数据，从而接受区块4a到区块7a的数据，而原来区块4中的交易被推翻和抹去，这样就达到了同一货币双重花费的目的。

2、自私挖矿

从上述原理可以看到，攻击者要想更改账不数据，需要有一条比其他人更长的区块链数据。但是要实现这个目的，并不一定要拥有超过50%的算力。如，某个矿工运气特别好，挖到两个连续的区块。他可以先隐藏这两个区块，等到其他矿工挖出一个区块数据后，他再广播自己的两个区块，就可使得他人挖到的区块失效(因为长链占优)。这种做法称为“自私挖矿”(selfish mining),这就白白浪费了其他矿工的算力，而自私者获得了更多的收益。

那么矿工连续挖到两个区块的概率是多少呢?如果某矿工的算力占全网的比例为p,他连续算出n个区块的概率就是p^n。

当p=0.1 (10%)时，连续挖到2个区块的概率为1%;如果p=0.5 ( 50%)时,连续挖到两个区块的概率为25%，这已是较大概率的事件了。

从比特币的历史上看，确实发生过矿池连续挖到多个区块的事情。在比特币系统中，6个区块之前的数据被认为是相对可靠和难以推翻的。可是在2014年，大矿池Chashio挖到6个连续的区块,具备了逆转之前交易的可能，引发了社区对比特币安全性的担忧。该矿池当时的规模在50%上下，算出6个连续区块的概率约为1.5% 。概率虽小，但日积月累不停地挖矿。使得小概率事件也很可能发生。为此，Chsh.io也不得不承诺把规模控制在3.99以下。

发起51%的攻击并不是严格地需要51%的全网算力，实际上只要能够控制的算力接近50%，加上分布式网络的延时和随机数等偶然因素，还是有可能实施成功攻击的。

3、可行性

当然，只拥有50%左右算力时，由于攻击者和其余矿工的算力相差不大,需要较长的时间才能攻击成功。
还有研究表明，如果攻击者控制了33%的算力，再配合前面提到的“自私挖矿”等手段干扰其他矿工正常挖矿，将有能力最终控制整个网络。

比特币等采用公有区块链技术的加密货币，所有发生的交易在理论上都没有“最终性”(Finality)，只要有足够的算力，都是可以被推翻的。在实际中，推翻之前的区块数据需要的算力和时间都相当惊人，所需成本可能远远大于收益，还不如按规矩挖矿，因此，即使存在理论上的可能性，也极少有人发动算力攻击。
51%攻击方法不能偷走别人地址里面的货币，却可以实现攻击者的货币多重使用，从而摧毁加密货币的信任体系，使得币价大跌，攻击者或许可以通过做空货币的方式获利。鉴于51%攻击的破坏性强，加密货币的参与者(如开发者、用户、矿工等)都会密切监视可能存在的攻击，并随时进行防备。

参考文献

[1]邹均.张海宁.唐屹.李磊.区块链技术指南.机械工业出版社