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中文译文
没有垄断者的垄断：比特币支付系统的经济分析
摘要
比特币支付系统无人能掌控，由固定的协议控制，它是一个由两个主要部分组成的平台：维护系统基础设施的用户和追求利润的矿工。本文试图了解该系统的经济学原理：该系统如何通过增加收入来支付其基础设施的费用？如何确定使用费？部署了多少基础设施？在协议中更改参数的含义是什么？
捕获系统属性的简化经济模型回答了这些问题。交易费用和基础设施水平是在拥塞排队博弈的均衡中确定的，这个均衡源于系统的有限币量。该系统消除了垄断带来的损失，但引入了其他效率，需要经历拥堵来增加收入和为基础设施提供资金。我们探讨了这类系统的未来潜力，并提出了设计建议。
关键词：比特币、区块链、排队、双边市场、市场设计
1.引言
加密货币是存储在开放和分散的电子支付系统中的数字货币。继Nakamoto（2008年）之后，加密货币已经引起了工业界、学术界和广大公众的关注，比特币是最突出的。有数百种这样的加密货币，许多运行在大型和可靠的匿名计算机减速网络上。这股浪潮是由一个名为“区块链”的创新计算机科学设计推动的。区块链支持创建可信任的分散式电子支付系统，尽管系统的任何服务器都不单独受信任。新的区块链设计依赖于密码技术和基于博弈论的激励措施的结合。它本身就获得了许多公共利益。
BitBand设计使比特币和其他密码货币与传统的支付系统（如FED WORD、SWIFT、VISA和PayPal）功能相似。这些支付系统是自然垄断，因为它们享有规模经济和网络效应。它们中的每一个都由一个组织操作，该组织决定其规则，并随着环境的变化对其进行修改。这些规则包括参与者使用系统的费用和方式。管理组织确保系统是可信的，并负责维护系统所需的基础设施。支付系统通常受到监管（或完全由政府机构所有），以减轻与其垄断地位相关的福利损失。
比特币区块链设计的创新在于缺乏管理或组织。相反，协议设置了系统的规则，所有参与者都遵守这些规则。缺少的是维护基础设施的中央实体。相反，比特币的基础设施由计算机服务器（称为“矿工”）组成，这些服务器可以随意进入和退出系统，响应感知到的利润机会。1参与者遵循协议，因为这样做符合他们的最大利益，假设其他参与者遵循协议。因此，由议定书派生的规则实际上是固定的，对所有缔约方都有约束力。
区块链设计带来了经济创新。与其他支付系统不同，比特币是一个双面平台，其规则由计算机协议预先指定。没有参与者有权设置或修改费用或行为规则或以其他方式控制系统。市场上的每个参与者，无论是用户还是矿工，都是价格接受者。用户受到垄断定价的保护：即使系统成为垄断，也没有垄断者收取垄断费用。然而，为了使系统正常运行，它必须从用户那里筹集足够的收入来资助所需的基础设施。我们的目标是了解如何在均衡中确定费用、系统收入和基础设施的数量，以及这些如何受到比特币协议设置的规则的影响。
为了对系统进行分析，我们首先构建了一个简单的模型，该模型捕获了比特币协议产生的经济环境。我们在第3节中提供了区块链协议和比特币系统的简单描述，说明了比特币系统是如何通过密码工具的组合实现的，密码工具能够验证分类账，以及设置激励机制以达成共识的博弈论结构。我们在法律分类账上。从许多技术细节中抽象出来，我们将这个描述转化为一个简化的经济模型。
比特币系统的两个主要组成部分是用户（通过他们发送的交易来识别）和服务器（称为矿工）。矿工们共同维护一个称为区块链的格式的所有交易的分类账，其中交易按块排列。每个事务都是经过加密验证的消息。比特币系统每10分钟（平均）随机选择一个矿工，将一个交易块添加到分类账中，处理该块中的所有交易。据说被选中的矿工“开采了这块地”。许多小型矿商之间的平衡确保所有矿商在同一个分类账上保持一致，并且只处理合法交易。协议将每个块限制为不超过2000个事务。2因此，系统的吞吐量是有限制的，不依赖于矿工的数量。
为了提供适当的激励措施，该系统通过在选择采矿区块时重新保护矿工来补偿矿工的努力。奖励包括新铸造的硬币和块内处理的交易支付的交易费用。协议规定了每一块中有多少新铸造的硬币被授予。这个数字大约每四年减少一半。相反，交易费用并不是由协议固定的，用户可以选择他们支付的交易费用。
简化的经济模型捕获了系统的这些特征。
两组看似完全不同的问题是分析的起点：（i）从长远来看，谁将支付矿工工资，为什么？（ii）如果系统变得流行，它将如何管理其有限的吞吐量？HPW是否会考虑服务优先级？比特币控制组织的缺失使得这两个问题变得不平凡。该模型对这两个问题都给出了一个单一的答案：由于吞吐量有限，系统的拥塞会导致用户支付事务费用以获得处理优先级。这些费用为矿工们提供了资金。这个答案提出了关于社会效率、稳定性、改进参数选择的后续问题。
该模型允许我们分析系统的长期行为，当矿工只从交易费用中得到补偿时。在整个分析过程中，我们假设系统运行可靠。我们导出了用户和矿工的均衡行为，以获得均衡交易费用、收入和基础设施的表达式。系统的结构允许对矿工和用户进行单独的分析，如下所示。
许多小型矿工可以进入或退出系统。活跃的矿工竞相挑选并收取交易费。交易费用由用户选择，小型矿商不能影响用户的选择。因此，每一个矿工通过处理收费最高的交易块来获得最大的回报。矿工们决定是否进入该系统，将他们的运营成本与他们预期的收入进行比较，给出整体奖励和他们被选中的机会。由此可见，每个矿工的预期利润为零，收入的多少通过矿工的入矿决定矿工的数量。这是值得注意的，因为系统作为一个整体是一个垄断者，但它以成本提供服务。
对矿工的分析意味着用户的决策与矿工的数量无关，只要有足够数量的矿工使系统能够可靠地运行。系统的吞吐量由协议决定。任何矿业公司都会优先考虑更高的费用交易。因此，用户可以选择支付更高的交易费用，以避免昂贵的延迟。
为了了解用户如何选择交易费用，我们分析了隐含的提示排队游戏。由于交易的随机到达和新块的随机挖掘，系统是随机的。系统的随机性意味着即使系统有足够的能力最终处理所有事务，某些事务也会延迟。事务的延迟随着系统中的整体拥塞而增加。通过更高的交易费用获得优先权可以减少延迟。通过对随机系统的分析，我们可以计算出每个用户在交易费用和延迟成本之间的权衡，并得出每个用户的均衡交易费用。每个用户的均衡交易费用等于其交易施加的外部性。因此，均衡交易费用与VCG拍卖中销售服务优先权产生的付款一致。
用户承担的总延迟成本、支付给矿工的总交易费用以及系统中矿工的均衡数量的导出表达式具有一些含义。
只有当系统足够拥挤并且延迟对用户来说代价高昂时，用户才会支付费用。尽管系统的随机性可以产生延迟，即使所有的交易都被处理了，但是一个容量远远超过需求的系统不会产生足够的延迟来产生收入。此外，除非用户支付大量的延迟成本，否则系统甚至不能增加少量的收入。虽然通过拥塞定价提高收入是一种创收机制，保护用户不受垄断定价的影响，但交易费用随拥塞程度而变化，而不考虑其在确定矿工数量方面的作用。因此，该系统筹集的收入不太可能导致矿工有效地提供基础设施。
缺乏足够的拥塞可能会给系统带来灾难性的后果。如果没有足够的拥塞，用户几乎不支付交易费用，几乎不产生为矿商提供资金的收入。随着矿工的撤离，系统变得不那么可靠，导致用户离开系统，从而进一步减少了拥塞。因为系统的吞吐量不依赖于矿工的数量，所以矿工的进出口选择并不能帮助平衡系统。如果没有其他的方式来维持矿工，系统将崩溃。
比特币系统提供了通过市场竞争来调节垄断或控制价格的替代方案。从所有潜在用户都在使用比特币系统的意义上讲，比特币可能是一种垄断，而不是以垄断价格定价。相反，交易费用是平衡确定的。矿工在系统内竞争，并以成本价提供基础设施。然而，维护比特币系统需要花费实际资源。这些资源包括大量的采矿工作，因为矿工们互相重复自己的工作，并参加一个锦标赛，以确定区块链上下一个区块是哪个矿工。此外，事务处理过程中代价高昂的延迟是必要的。这些效率低下可能低于或高于垄断的绝对损失。
我们的分析建议对协议进行两次简单的设计修改。首先，系统应该调整添加新块的频率，而不是当前系统的固定吞吐量。在不引发任何激励问题的情况下，使这一频率成为近期拥塞的一个函数是可能的，因为可以从协议可观察到的区块链分类账中推断出过去的拥塞。这可以使系统在用户数量变化时保持所需的拥塞水平，从而使收入和矿工数量保持在所需水平。
第二，我们的分析表明，如果最大块大小较低，那么提高目标收入水平需要对用户施加较少的延迟成本。因此，以尽可能小的块大小（给定的工程约束）重新设计系统，并通过频繁的小块保持吞吐量是有益的。
最后，我们提出了描述分布式区块链系统的一套可行的创收机制并确定最佳机制的问题。创收规则必须为矿工处理交易提供适当的激励，交易费用必须由第三方核实。我们讨论了一些可以通过协议实现的可能机制。
论文的组织
第2节对相关文献进行了回顾。第3节提供了比特币系统和基础区块链技术的简化解释。第4节介绍了我们的经济模型，包括大部分技术分析。第5节讨论了分析对比特币系统当前设计的影响。第6节讨论了备选设计建议。第7节提供了一些最后的评论。附录中有省略的证明。
2 相关文献
2.1 比特币工程
著名的是，Nakamoto（2008）的白皮书创造了这个词，并描述了比特币系统。Eyalamp;Sirer（2014年），Sapirshtein等人（2016）分析矿工之间的平衡，表明如果所有矿工都足够小，区块链协议的适当设计将产生一个可靠的平衡系统。Babaioff等人（2012）分析比特币系统传播信息的动机。Narayanan等人（2016）详细描述和分析系统。克罗曼等人（2016）提供比特币系统的成本估算，并分析交易吞吐量的潜力。Eyal等人（2016）建议一种替代设计，旨在构建具有更高交易吞吐量的系统。Carlsten等人（2016）分析当矿工获得交易费用而不是新创造的硬币时，对矿工的激励措施是如何变化的。Chiuamp;Koeppl（2017）评估了印刷新硬币的福利影响。采用了一个主要的经验方向，Easley等人（2017）是同时代的作品。他们的一些结果与这里报道的结果一致。
Kroll等人（2013）分析系统参与者面临的激励，尤其是矿工面临的激励。他们对交易费用进行了简要讨论，并指出，“因此，根据现行规则，我们不希望交易费用在比特币系统的经济中发挥重要的长期作用。我们认为，在交易费用在比特币经济中发挥任何重要作用之前，必须对规则进行修改。”
本文还表明，交易费用在比特币系统中具有双重和关键作用：（i）它们取代了新铸造的硬币作为采矿界的资金来源；（ii）它们是采矿者处理信息拥挤的优先仲裁人，即它们决定了MESSAG中的优先权。E队列。
2.2 比特币作为货币的使用和加密货币市场
Ronamp;Shamir（2013），Athey等人（2016）分析比特币的用途及其作为货币的价值。Yermack（2013）回顾了比特币的历史以及其价格历史的统计特性，认为根据经济学家广泛使用的标准，比特币的行为与货币不太相似。相反，比特币类似于上世纪90年代末互联网股票的投机投资。”
Gandal和Halaburda（2014）分析了不同加密货币之间的竞争。Halaburdaamp;Sarvary（2016）回顾了加密货币市场及其发展以及区块链技术的潜力。Gansamp;Halaburda（2015）分析了数字货币的经济性，重点关注平台赞助的信贷。Cataliniamp;Gans（2016）讨论了区块链技术可能带来的机会。
2.3 排队论相关工作
Lui（1985年）、Glazeramp;Hassin（1986年）和Hassin（1995年）研究了排队系统，其中具有不同等待成本的用户自愿支付交易费用（在Lui（1985年）中称为贿赂），以便在排队时获得对单个服务站的优先权，该服务站一次为一个客户服务。Lui（1985）的主要观察结果是，服务器可以通过提高服务速度来增加利润。Hassin（1995）指出，最大化服务器利润的服务率总是低于社会最优服务率。Hassinamp;Haviv（2003）提供了结果摘要。
本分析考虑了一个事务到达和服务到达是随机的排队系统，而服务是固定最大规模的批处理模式。先前的工作相当于一个批量大小。到达率和服务率以及最大批量大小之间的相互作用以及它们对交易费用和服务器收入的影响是主要关注的问题。 另外，Kasahara和Kawahara（2016）分析了比特币激励的批量服务优先排队系统的延迟，但不考虑用户激励或均衡考虑。
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