【区块链】复六之比特币挖矿

比特币挖矿 1、比特币挖矿1.1挖矿过程1.2挖矿原因 2、比特币挖矿难度2.1调整挖矿难度2.2为什么要调整挖矿难度 3、比特币挖矿设备3.1挖矿设备的演变 4、矿池4.1矿池产生的原因4.2矿池的运行4.2.1职责分工4.2.2利益分配 4.3一些问题4.4优缺点

1、比特币挖矿

区块链中的挖矿是指求得nonce值来获得记账权，将交易打包进区块链中，然后发布到网络中，其他节点验证合法性。
比特币中的挖矿本质为：尝试不同的nonce值使得区块头的哈希值小于预定目标。
挖矿难度于目标阈值的关系：
难度=挖矿难度等于1时的目标阈值/目标阈值。
目标阈值越小，难度越大。

1.1挖矿过程

①准备阶段：组装候选区块头
②挖矿阶段：尝试不同nonce值，获得记账权
③发布区块阶段：通过网络传输新增区块、其他节点验证并确认区块

问题：
1、全节点必须要先验证区块内交易，然后再挖矿，如果交易不合法，就白白挖矿了
2、如果所有的nonce都不符合，那么可以考虑往coinbase中写入任何内容，没有人检查。当coinbase的值修改的时候，默克尔树就会改变，那么默克尔树根哈希值就会变，区块头就改变了
3、任何节点都可以参与挖矿
4、节点成功挖矿的概率和算力成正相关

1.2挖矿原因

从比特币系统角度：
①共识机制，解决谁记账的问题
②鼓励矿工参与比特币系统的运行和维护
③增加恶意节点攻击的成本，提高比特币系统的安全性
从矿工角度：
①获得记账权
②获得区块奖励
③获得交易手续费

2、比特币挖矿难度 2.1调整挖矿难度

每出2016个区块（约两周）调整一次目标阈值
target=target*(actual time/expected time)

在实际运行过程中
target=target*f(actual time/expected time))

如果恶意节点不调整难度，那么区块头中的目标阈值编码的版本和系统协议中的对不上，那么诚实的节点就不会通过。

2.2为什么要调整挖矿难度

在系统总算力不断增加的情况下，如果不调整挖矿难度，那么平均出块时间会越来越短。
出块时间短的优点：交易能更快的被写进区块链，矿工更快得到奖励，系统响应时间更快。
缺点：分叉更容易出现，甚至是多分叉，这样很难形成共识。（网络传播信息是有时间的）
同时大部分算力会分散，恶意节点更容易发动51%攻击

3、比特币挖矿设备 3.1挖矿设备的演变

从通用到专用
①CPU
挖矿浪费了CPU的许多功能，大部分部件闲置，内存和硬盘都闲置。
此时整个网络算力少，是可以通过普通PC的CPU进行挖矿的。
②GPU
挖矿浪费了GPU的许多功能，很多部件闲置，如浮点运算部件
GPU主要用于大规模的并行计算
③ASIC矿机
只用于哈希运算，相对性价比高，专门用于挖矿的设备，如蚂蚁矿机，更新很快
为某一种加密货币设计的ASIC芯片只能挖这一种货币
有些新的加密数字货币采用抗ASIC芯片的alternative mining puzzle，目的是为了让通用的计算机也能参与挖矿。

4、矿池 4.1矿池产生的原因

单个矿工挖矿的困难
①收益不稳定，风险高
②要承担全节点的职责

矿池的出现，让矿工从概率小的大奖励变成了概率大的小奖励

4.2矿池的运行 4.2.1职责分工

矿池作为一个全节点会驱动很多矿机
矿主：负责全节点的其他职责
矿工：加入矿池后，只负责计算哈希值

4.2.2利益分配

①不可以使用平均分配
②POW：
矿主分配一个难度较低的挖矿任务，称为一个share，作为工作量证明。
如nonce是要使得区块头的hash值前70位为0，矿主可以规定找到一个使得前60位为0的就可以获得一个share，最终按照share来分配利益。实际上share对矿主来说除了作为利益分配依据，没有什么用处了。
③PPS
矿工每挖到一个share，就立即能从矿池余额资金中获得奖励，但是对于矿主来说风险较高
R=Bp
（R为每个share的奖励，B表示区块奖励减去矿池手续费，p表示挖到一个share的概率）
④PROP
当矿池找到一个区块之后，才开始分配利益，矿工和矿主共同承担风险
R=B(n/N)
n表示当前矿工挖到的share区块个数，N表示矿池这一轮中所有的share个数

4.3一些问题

①因为挖矿奖励的地址是矿主的，所以没有办法自己偷偷发布获得奖励
②矿主会检查区块头的地址，如果地址被篡改，那么矿主不会承认矿工的工作量证明
③矿工挖到矿不提交的话，自己也是没有利益的，除非是卧底

4.4优缺点

优点：减轻了矿工的风险，让矿工收益更加稳定。
缺点：矿池更容易发动51%攻击，容易对区块链的安全带来威胁
如可以进行分叉攻击、抵制攻击