原创

第二十八章 区块链比特币之挖矿

基本原理

了解比特币,最应该知道的一个概念就是“挖矿”。挖矿是参与维护比特币网络的节点,通过协助生成新区块来获取一定量新增的比特币的过程。

当用户向比特币网络中发布交易后,需要有人将交易进行确认,形成新的区块,串联到区块链中。在一个互相不信任的分布式系统中,该由谁来完成这件事情呢?比特币网络采用了“挖矿”的方式来解决这个问题。

目前,每 10 分钟左右生成一个不超过 1 MB 大小的区块(记录了这 10 分钟内发生的验证过的交易内容),串联到最长的链尾部,每个区块的成功提交者可以得到系统 12.5 个比特币的奖励(该奖励作为区块内的第一个交易,一定区块数后才能使用),以及用户附加到交易上的支付服务费用。即便没有任何用户交易,矿工也可以自行产生合法的区块并获得奖励。

每个区块的奖励最初是 50 个比特币,每隔 21 万个区块自动减半,即 4 年时间,最终比特币总量稳定在 2100 万个。因此,比特币是一种通缩的货币。

挖矿过程

挖矿的具体过程为:参与者综合上一个区块的 Hash 值,上一个区块生成之后的新的验证过的交易内容,再加上自己猜测的一个随机数 X,一起打包到一个候选新区块,让新区块的 Hash 值小于比特币网络中给定的一个数。这是一道面向全体矿工的“计算题”,这个数越小,计算出来就越难。

系统每隔两周(即经过 2016 个区块)会根据上一周期的挖矿时间来调整挖矿难度(通过调整限制数的大小),来调节生成区块的时间稳定在 10 分钟左右。为了避免震荡,每次调整的最大幅度为 4 倍。历史上最快的出块时间小于 10s,最慢的出块时间超过 1 个小时。

为了挖到矿,参与处理区块的用户端往往需要付出大量的时间和计算力。算力一般以每秒进行多少次 Hash 计算为单位,记为 h/s。目前,比特币网络算力峰值已经达到了每秒数百亿亿次。

汇丰银行分析师 Anton Tonev 和 Davy Jose 曾表示,比特币区块链(通过挖矿)提供了一个局部的、迄今为止最优的解决方案:如何在分散的系统中验证信任。这就意味着,区块链本质上解决了传统依赖于第三方的问题,因为这个协议不只满足了中心化机构追踪交易的需求,还使得陌生人之间产生信任。区块链的技术和安全的过程使得陌生人之间在没有被信任的第三方时产生信任。

如何看待挖矿

2010 年以前,挖矿还是一个非常热门的盈利行业。

但是随着相关技术和设备的发展,现在个人进行挖矿的收益已经降得很低。从概率上说,由于当前参与挖矿的计算力实在过于庞大(已经超出了大部分的超算中心),一般的算力已经不可能挖到比特币。特别那些想着利用虚拟机来挖矿的想法,意义确实不大了。

从普通的 CPU(2009 年)、到后来的 GPU(2010 年) 和 FPGA(2011 年末)、到后来的 ASIC 矿机(2013 年年初,目前单片算力已达每秒数百亿次 Hash 计算)、再到现在众多矿机联合组成矿池(知名矿池包括 F2Pool、BitFury、BTCC 等)。短短数年间,比特币矿机的技术走完了过去几十年的集成电路技术进化历程,并且还颇有创新之处。确实是哪里有利益,哪里的技术就飞速发展!目前,矿机主要集中在中国大陆(超过一半的算力)和欧美,大家比拼的是一定计算性能情况下低电压和低功耗的电路设计。全网的算力已超过每秒 10^18 次 Hash 计算。

很自然地,读者可能会想到,如果有人掌握了强大的计算力,计算出所有的新区块,并且拒不承认他人的交易内容,那是不是就能破坏掉比特币网络。确实如此,基本上个体达到 1/3 的计算力,比特币网络就存在被破坏的风险了;达到 1/2 的算力,从概率上就掌控整个网络了。但是要实现这么大的算力,将需要付出巨大的经济成本。

那么有没有办法防护呢?除了尽量避免计算力放到同一个组织手里,没太好的办法,这是目前 PoW 机制自身造成的。

也有人认为为了共识区块的生成,大部分计算力(特别是最终未能算出区块的算力)其实都浪费了。有人提出用 PoS(Proof of Stake)和 DPoS 等协议,利用权益证明(例如持有货币的币龄)作为衡量指标进行投票,相对 PoW 可以节约大量的能耗。PoS 可能会带来囤积货币的问题。除此之外,还有活跃度证明(Proof of Activity,PoA)、消耗证明(Proof of Burn,PoB)、能力证明(Proof of Capacity, PoC)、消逝时间证明(Proof of Elapsed Time)、股权速率证明(Proof of Stake Velocity,PoSV)等,采用了不同的衡量指标。

当然,无论哪种机制,都无法解决所有问题。一种可能的优化思路是引入随机代理人制度,通过算法在某段时间内确保只让部分节点参加共识的提案,并且要发放一部分“奖励”给所有在线贡献的节点。

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