什么是合并挖礦？技術優(yōu)勢、競爭者與未來方向
本文詳細概述了合并挖礦的歷史、技術和應用等，闡釋了如何利用合并挖礦來增強區(qū)塊鏈安全性，從而讓讀者深入了解其在區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)中的關鍵作用。這是一份綜合指南，適合那些專注于利用合并挖礦來保證區(qū)塊鏈安全的人。
工作量證明（PoW）是中本聰共識（Nakamoto Consensus）的基本組成部分。它有兩大功能：一是用于選擇區(qū)塊生產(chǎn)者的女巫抵抗機制，一是提供了恢覆區(qū)塊鏈的基線和不斷增加的成本。這就是為什么說 PoW 保證了比特幣區(qū)塊鏈的安全。
合并挖礦是一種將保護一個區(qū)塊鏈所付出的努力同時重復用于保護另一個區(qū)塊鏈的技術。就像 PoW 為中本共識提供動力一樣，合并挖礦也可為不同區(qū)塊鏈的共識提供動力。合并挖礦鏈的共識協(xié)議也可以是中本共識，也可以是它的變體，例如GHOST或DECOR。應用合并挖礦技術的行為通常被稱為“合并挖礦”。合并在兩個區(qū)塊鏈上挖礦的唯一要求是它們要使用相同的塊頭哈希函數(shù)（和難度檢查）來獲得 PoW。
合并挖礦的工作方式很簡單。首先，我們假設有一個主區(qū)塊鏈（假設是比特幣）和一個輔助區(qū)塊鏈S。設hB和hS分別是比特幣和S的兩個新區(qū)塊頭。令 H 為任意加密哈希函數(shù)。要開始挖礦，合并后的礦工必須構建 hB 模板，使其明確引用 H(hS)。采礦過程變化很小。在挖礦時，礦工試圖找到導致 hB 工作量證明的隨機數(shù)，該隨機數(shù)滿足比特幣網(wǎng)絡照常確定的難度（即 SHA256D(hB) < targetB）。然而，如果礦工找到一個比特幣區(qū)塊頭，其工作量證明與合并挖礦鏈的難度相匹配（SHA256D(hB) < targetS），那么 hB、hS 以及一些附加區(qū)塊頭鏈接信息將成為合并挖礦區(qū)塊的有效的工作量證明。完整的合并挖礦區(qū)塊將包含 PoW 和其他剩余鏈特定數(shù)據(jù)（即 hS 引用的交易）。該區(qū)塊被發(fā)送到輔助區(qū)塊鏈網(wǎng)絡以添加到輔助區(qū)塊鏈。通過合并挖礦，可以用一個工作證明的價格創(chuàng)建兩個不同的工作量證明。
什么是合并挖礦？
合并挖礦其實是一種“一次挖礦、雙份收獲”的方式。它的內(nèi)核思路是：礦工使用相同的算力，在不增加電費和硬件負載的前提下，同時挖兩個幣。這兩個幣共享相同的挖礦算法，比如都采用 Scrypt。主鏈和子鏈會通過一種叫“父子鏈驗證”的機制來協(xié)同運作。
可以把它想象成你用同一張彩票，參加了兩個抽獎活動。如果中獎了，那兩個獎你都可以領。整個過程對礦工來說幾乎無感，和普通挖礦沒什么區(qū)別，但收益卻可能翻倍。
歷史
合并挖礦幾乎有著和比特幣一樣悠久的歷史。 2010年，中本聰本人提議使用合并挖礦來保護假設的 BitDNS 側(cè)鏈，該側(cè)鏈將存儲去中心化域名。這個想法很快得到實施并作為 Namecoin 山寨幣推出。 2011年，Namecoin開始與比特幣合并挖礦，以實現(xiàn)更高的安全性。
在此期間，其他區(qū)塊鏈也效仿這一趨勢，開始與比特幣進行合并挖礦。但并非都盡如人意。2012年，LukeJr 對 Coiledcoin 發(fā)起了 51% 攻擊，當時 Coiledcoin 正在與比特幣進行合并挖礦。該事件表明，合并挖礦并不是每個區(qū)塊鏈的安全靈丹妙藥，新的合并挖礦鏈與之前的鏈之間必須存在高度的激勵一致性，才能確保該機制的安全。
2014年，還發(fā)生了一件重要的事件。狗狗幣（Dogecoin）和萊特幣（Litecoin）使用相同的挖礦功能，礦工開始在兩個區(qū)塊鏈之間集體切換。當狗狗幣利潤更高時，他們都會轉(zhuǎn)而開采狗狗幣，從而加速區(qū)塊生產(chǎn)。當狗狗幣難度調(diào)整開始并使挖礦變得難以盈利時，他們就會集體轉(zhuǎn)向萊特幣，以最大限度地提高盈利能力，循環(huán)如此重復。這導致了算力不穩(wěn)定、區(qū)塊率和代幣發(fā)行不穩(wěn)定。此后，狗狗幣算力變得太低而不被認為是安全的。狗狗幣社區(qū)決定開始接受與萊特幣合并挖礦的區(qū)塊。截至今天，一個社區(qū)中沒有任何礦工試圖攻擊另一個社區(qū)。沒有發(fā)生攻擊的原因有幾個：首先，合并挖礦對兩個社區(qū)都有利，因為通過合并挖礦，區(qū)塊難度和區(qū)塊率可以再次穩(wěn)定。其次，這對礦工來說也是有利的，他們可以暫時將收入翻倍（直到區(qū)塊鏈難度向上調(diào)整結(jié)束這個寬限期）。第三，具有相當?shù)乃懔?，沒有一個礦工可以輕易攻擊另一條鏈。第四，萊特幣和狗狗幣社區(qū)之間不存在意識形態(tài)之爭（我們自問一下，這些社區(qū)是否有歸屬感）。礦工只會挖掘最賺錢的鏈。
獨立區(qū)塊鏈
合并挖礦歷來受到青睞的原因之一是，它能夠創(chuàng)建完全獨立的區(qū)塊鏈。所謂獨立，是指即使主鏈由于技術問題而暫?；蛟跊]有社區(qū)支持的情況下直接停工，這些二級鏈也能繼續(xù)工作。在沒有主鏈的情況下，輔助鏈仍然可以繼續(xù)從合并礦工那里獲取工作。早年，就連比特幣也沒有確定的未來。Rootstock 側(cè)鏈選擇合并挖礦作為其共識協(xié)議（而不是像 Liquid 那樣的聯(lián)合共識）的原因之一是，Rootstock 是在區(qū)塊大小戰(zhàn)爭期間創(chuàng)建的，并且存在比特幣被攻擊者破壞或被分 裂社區(qū)分 裂的真實風險。
區(qū)塊率
與其他繼承比特幣安全性的替代方式相比，人們更喜歡合并挖礦的一個重要原因是，在合并挖礦下二級鏈具有更高的出塊率。
在比特幣之后，創(chuàng)建的所有區(qū)塊鏈都是為支持更高的區(qū)塊率（更低的區(qū)塊間時間）。人們認為這會對去中心化產(chǎn)生負面影響，因為它可能導致單一礦工產(chǎn)生更多的孤立塊，迫使他們加入更大的礦池以維持競爭力。高區(qū)塊率有幾大好處，最明顯的一個是用戶交易的確認速度更快。較高區(qū)塊率的一個自相矛盾的好處是支付獎勵變化幅度減少，但這反過來又減少了加入大型礦池的激勵，從而提高了去中心化。出塊率代表了可用性與去中心化之間的權衡，而理想的出塊率很難找到。
因此，設計者在設計與比特幣合并挖礦的合并挖礦區(qū)塊鏈時應謹慎考慮區(qū)塊率。如果不采用更普惠的共識協(xié)議，平均出塊間隔低于10秒可能會給合并礦池帶來額外的帶寬壓力，導致成本增加，以至于它們與非合并礦池相比時會處于不利地位。
合并挖礦的競爭者
與中本聰合并挖礦類似，還有其他方法可以繼承其他鏈的安全性。第一個已知的方法是由 Mastercoin/OMNI 協(xié)議實現(xiàn)的，第二個是 Counterparty 協(xié)議。RGB等新項目也采用了這種方法。該方法基于在比特幣交易中嵌入替代賬本的交易數(shù)據(jù)。在 RGB 中，這種嵌入仍然存在，但它完全隱藏在 Taproot 樹中。然而，Mastercoin/Counterparty/RGB 賬本歷史都沒有形成單獨的區(qū)塊鏈。賬本歷史僅是比特幣區(qū)塊中嵌入的特殊交易的順串行表。還有其他方法可以創(chuàng)建從主鏈繼承安全性的單獨區(qū)塊鏈，通常是嘗試完全或部分同步兩個區(qū)塊鏈。所有這些都基于在 OP_RETURN 輸出中的發(fā)布數(shù)據(jù)。這樣的例子有 Veriblock、PoX 和 Syncchains。通過這些“同步”鏈，主鏈區(qū)塊的反轉(zhuǎn)會自動反轉(zhuǎn)隨后出現(xiàn)的次鏈區(qū)塊。一個不足之處是，它們迫使二級區(qū)塊鏈節(jié)點也運行主鏈節(jié)點。雖然鏈接的區(qū)塊鏈可以提供共享的安全性（以及快速的跨鏈傳輸），但如果不引入另一個交換共識協(xié)議（即比特幣 NG 的微區(qū)塊），同步共識就無法為輔助區(qū)塊鏈提供更快的區(qū)塊率。相反，合并挖礦鏈可以使用任何區(qū)塊率，盡管如前所述，有一個閾值限制，如果超過閾值，由于高帶寬要求，合并挖礦將不再經(jīng)濟。
評判與發(fā)展
已有人分析了中本聰共識中的合并挖礦，并也產(chǎn)生了一些支持和反對這一機制的研究論文。然而，現(xiàn)有的研究都集中在合并挖礦對去中心化的實際效果上，而仍然缺乏方法的形式化研究。學術研究還沒有涉及Namecoin合并挖礦方法以外的方法。但Namecoin這種方法已得到了很大的改進。2018年，Rootstock 比特幣合并挖礦側(cè)鏈的推出重振了這一研究，導致發(fā)現(xiàn)了更安全的合并挖礦協(xié)議，例如分叉感知變體(fork-aware variants)。其中一些改進是在 Rootstock 的連續(xù)網(wǎng)絡升級中實施的。然而，新的理論研究仍然分散存在于在線文章和 RSKIP（砧木改進提案）中，應進一步納入文檔記錄。合并挖礦的新變種（將在下一篇文章中討論）可以抵御一些已知的攻擊。例如，人們普遍認為，當合并挖礦算力較低（即，<主鏈算力的10%）時，合并挖礦側(cè)鏈無法抵御雙花攻擊，而對于一些新的協(xié)議變體，它可以抵御雙花攻擊（基于稍微不同的安全性和活性假設）。
Namecoin 合并挖礦設計
Namecoin 與比特幣合并挖礦的方式很簡單。在生成交易的 coinbase 字段的末尾，礦工寫入 4 個字節(jié)，表明后面有一項 AuxPow 記錄。這 4 個字節(jié)稱為魔術字節(jié)，Namecoin 使用它來輕松查找 AuxPow 記錄。接下來，我們找到 AuxPow 記錄，礦工必須在其中存儲 Merkle 樹的根哈希摘要，其中包含正在合并挖礦的不同區(qū)塊鏈的塊哈希。接下來是treeSize字段，它指定樹中包含的不同區(qū)塊鏈的合并挖掘塊的數(shù)量，以及一個treeNonce字段，該字段應有助于避免鏈ID的沖突，但設計有缺陷，并且該值未被使用。下圖描繪了一個帶有 AuxPow 記錄的比特幣區(qū)塊，該記錄鏈接到來自 4 個不同的合并挖礦區(qū)塊鏈的4個區(qū)塊（W、X、Y 和 Z）：
Namecoin 合并挖礦設計
為了使 Namecoin 節(jié)點驗證 Namecoin 區(qū)塊的工作證明，該區(qū)塊必須包含包含以下內(nèi)容的數(shù)據(jù)字段：
- 證明 Coinbase 交易包含在比特幣區(qū)塊交易樹中的 Merkle 路徑
- coinbase 交易本身，包含 AuxPow 樹根。
- 在 AuxPow 樹中查找 Namecoin 區(qū)塊哈希的 Merkle 路徑。
Namecoin 共識有一個規(guī)則來驗證合并挖礦證明和比特幣塊投的工作量證明（忽略所有其他字段）。
主鏈/次級鏈的區(qū)別
我們通常將單個主區(qū)塊鏈與所有合并挖礦的二級區(qū)塊鏈區(qū)分開來，因為二級區(qū)塊鏈塊需要額外的 Merkle 證明來允許驗證工作量證明。但從博弈論的角度來看，不存在主鏈。所有這些都為安全預算做出了貢獻。如果主區(qū)塊鏈算力下降到合并挖礦總算力的10%，那么人們可能會說輔助區(qū)塊鏈已成為主區(qū)塊鏈，因為現(xiàn)在該區(qū)塊鏈可能是支付大部分安全預算的區(qū)塊鏈。這種區(qū)別可能更加令人困惑，因為合并挖礦的“二級”區(qū)塊鏈可以從多個“主”鏈中獲取工作量，就像 Rootstock 的情況一樣。雖然 Rootstock 的算力大部分來自比特幣礦工，但有時也有一小部分算力來自比特幣現(xiàn)金礦工，因此 Rootstock 繼承了兩個主鏈的算力。
即使出于哲學原因，人們也不希望從比特幣 SV 等獲得算力，但這也無法輕易阻止。從 Rootstock 共識的角度來看，比特幣和比特幣 SV 區(qū)塊頭看起來相同（父區(qū)塊或難度字段可用于根據(jù)區(qū)塊難度試探性地對它們進行區(qū)分區(qū)分它們，但這并不精確）。因此，通過結(jié)合所有基于 SHA256D 的區(qū)塊鏈（包括比特幣）的算力，Rootstock 可能擁有比比特幣更高的算力。
因此，我們遵循語法定義：主鏈是具有較短合并挖礦證明的鏈，通常具有單個塊頭，而輔助鏈是那些需要附加塊頭及其嵌入在第一個塊頭中的哈希的鏈。
區(qū)塊鏈中立
2011到2013年期間，bitcointalk.org 論壇上發(fā)布了多項提案，要求運行比特幣硬分叉，將比特幣工作量證明提取到單獨的“主”塊頭鏈中，并使所有合并挖礦的區(qū)塊鏈區(qū)塊（包括比特幣）源自此主塊頭鏈。所有區(qū)塊鏈塊哈希都將成為單個 Pow Merkle 樹的一部分。然而，這些提案并沒有得到關注（總的來說是沒有任何比特幣硬分叉提案得到關注）。
事實上，主塊頭根本不需要成為鏈的一部分。塊頭可以很小，只需指定鏈塊哈希的 Merkle 樹根以及改變塊頭以找到 PoW 所需的隨機數(shù)。正如我們將在后續(xù)文章中看到的，在這個小塊頭中包含時間戳字段可以提高所有合并挖礦鏈的安全性，這個虛構的小塊頭如下圖所示，其中 X 和 Y 指的是其他一些合并挖礦的區(qū)塊鏈：
沒有任何主區(qū)塊鏈的合并挖礦設計
如果采用這種數(shù)據(jù)結(jié)構，比特幣合并挖礦就不會有主鏈了。
在分析礦工使用相同的工作量證明來保護多個區(qū)塊鏈的動機時，我們必須將所有這些區(qū)塊鏈視為平等的鏈進行分析。為了分析合并挖礦激勵，我們應考慮 SHA256D 礦工（實際使用的哈希函數(shù)）而不是比特幣礦工。我們必須分析所有合并挖礦的區(qū)塊鏈以及區(qū)塊鏈為礦工提供的激勵。
合并挖礦側(cè)鏈
比特幣側(cè)鏈增加了比特幣的效用，因此它們?yōu)楸忍貛诺膬r值做出了貢獻。使用側(cè)鏈，比特幣持有者可以運行私人支付、創(chuàng)建 DAO 并探索創(chuàng)新用例，而無需將比特幣換成其他波動性更大的貨幣（有時被比特幣至上主義者稱為“垃圾幣”）。目前存在 Liquid（采用聯(lián)合共識）和 Rootstock（采用合并挖礦）這兩種比特幣側(cè)鏈。
Rootstock 側(cè)鏈提供更便宜的支付和更優(yōu)惠的去中心化金融（DeFi）應用進程。對于比特幣愛好者來說，有用的去中心化應用之一是由 rBTC 抵押的穩(wěn)定幣自貸服務。該解決方案允許比特幣持有者使用以法定貨幣計價的代幣，而不必因日常支出而被迫出售比特幣。
人們普遍認為，比特幣上的 DeFi 將在未來幾年顯著增長，并且未來將出現(xiàn)新的不可預見的用例。這就是為什么大多數(shù)比特幣用戶支持 Rootstock 并渴望看到它更快增長的原因。
Rootstock 側(cè)鏈專門用于為比特幣社區(qū)提供激勵。它使用合并挖礦共識協(xié)議來激勵比特幣持有者，特別是激勵比特幣礦工參與。這種共享激勵和共享社區(qū)讓比特幣和 Rootstock 可以成功合并挖礦。
在下篇中，我將介紹 Rootstock 合并挖礦共識模型，還將展示 Rootstock 社區(qū)創(chuàng)建的幾項創(chuàng)新，這些創(chuàng)新大大提高了合并挖礦的安全性。我還將展示合并挖礦如何通過增加長期安全預算來使比特幣受益。
總結(jié)
合并挖礦是基于 PoW 的共識協(xié)議的重要部分，它使區(qū)塊鏈能夠繼承主鏈的安全性，而無需重復挖礦成本。與基于權威證明或權益證明的共識協(xié)議相比，使用合并挖礦的中本聰共識可以帶來更高的去中心化程度。然而，只有在互惠互利的情況下，主鏈安全才會與合并挖礦鏈共享。因此，合并挖礦是比特幣側(cè)鏈的最佳選擇，可為比特幣網(wǎng)絡添加巨大價值。Rootstock是第一個圖靈完備的比特幣智能合約側(cè)鏈，由當前比特幣算力的50%以上合并挖礦，并且其算力每年都在增長。因此，它成為了現(xiàn)有的最安全的智能合約網(wǎng)絡之一。 Rootstock 使用了該協(xié)議的分叉感知變體，這將在下一篇文章中討論。
到此這篇關于什么是合并挖礦？技術優(yōu)勢、競爭者與未來方向的文章就介紹到這了,更多相關合并挖礦詳細介紹內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持腳本之家！
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