挖礦是什么意思？礦工都做了什么？

2019-09-13 16:35:14

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供稿：網(wǎng)友

這篇文章從本質(zhì)上講解了礦工挖礦是什么意思，需要讀者具備以下基礎(chǔ)知識(shí)：

比特幣是如何轉(zhuǎn)賬的？
比特幣的分布式賬本和去中心網(wǎng)絡(luò)
UTXO（未使用的交易輸出）
比特幣區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
工作量證明共識(shí)機(jī)制

挖礦節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)在挖礦時(shí)要做兩個(gè)任務(wù)：

第一個(gè)任務(wù)是把比特幣網(wǎng)絡(luò)中未確認(rèn)的交易按梅克爾樹組裝成候選區(qū)塊，未被納入的交易則往下順延。
在創(chuàng)建候選區(qū)塊時(shí)，除了普通的交易之外，礦工在其中增加一個(gè)特殊的交易：幣基交易（coinbase transaction）。如果挖礦成功，則幣基交易會(huì)憑空轉(zhuǎn)出新區(qū)塊的獎(jiǎng)勵(lì)比特幣到礦工的錢包地址中，從而發(fā)行這些比特幣出來。這個(gè)特殊交易也被叫作“創(chuàng)幣交易”，新的比特幣是在這一交易中被創(chuàng)造出來的。

挖礦節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)的第二個(gè)任務(wù)是真正的挖礦，即進(jìn)行加密哈希計(jì)算，解決一個(gè)計(jì)算難題，進(jìn)行算力競(jìng)爭(zhēng)。在眾多爭(zhēng)奪記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)中，誰最先完成這個(gè)計(jì)算，它打包的區(qū)塊就被加到了區(qū)塊鏈的最后，成為最新的區(qū)塊。率先完成計(jì)算的礦工會(huì)贏得新區(qū)塊的挖礦獎(jiǎng)勵(lì)。最初，成功挖出一個(gè)區(qū)塊，礦工可以獲得 50 個(gè)比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)，按規(guī)則，這個(gè)挖礦獎(jiǎng)勵(lì)每四年減半一次，分別為 25 個(gè)、12.5 個(gè)，以此類推。

我們?cè)儆懻搩蓚€(gè)問題，以深入了解比特幣的工作量證明共識(shí)機(jī)制與它的挖礦機(jī)制。

第一，先向內(nèi)看，比特幣礦工挖礦是在做什么？

在候選區(qū)塊的頭部有一個(gè) 32 位的隨機(jī)數(shù)區(qū)域，礦工需要反復(fù)調(diào)整隨機(jī)數(shù)并計(jì)算，目標(biāo)是讓整個(gè)區(qū)塊的哈希值小于一個(gè)“目標(biāo)值”。如果試過所有的 32 位隨機(jī)數(shù)可能性后，計(jì)算仍未能成功，那么就要改變幣基（coinbase）的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，接著進(jìn)行反復(fù)計(jì)算。

這個(gè)計(jì)算是加密哈希計(jì)算（對(duì)比特幣來說是 SHA-256），除了反復(fù)計(jì)算別無他法。這個(gè)計(jì)算量非常大，比如在 2015 年年底，在大約 2 的 68 次方個(gè)隨機(jī)數(shù)中，只有一個(gè)可以成功，這個(gè)數(shù)字比全球總?cè)丝诘钠椒竭€要大。

有意思的是，這種挖礦計(jì)算是非對(duì)稱的，你挖礦需要經(jīng)過 2 的 68 次方個(gè)哈希計(jì)算，而我要驗(yàn)證你的確找到有效的隨機(jī)數(shù)，只需要一次就可以。

第一個(gè)完成這個(gè)計(jì)算難題的節(jié)點(diǎn)所打包的區(qū)塊就成為有效區(qū)塊，它向全網(wǎng)廣播告知自己已經(jīng)完成，由其他節(jié)點(diǎn)確認(rèn)后（即有別的挖礦節(jié)點(diǎn)在這個(gè)區(qū)塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行下一個(gè)區(qū)塊的挖礦，生成新的區(qū)塊）。在等待 6 個(gè)區(qū)塊后，該挖礦節(jié)點(diǎn)就可以獲得這次比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。

比特幣的去中心網(wǎng)絡(luò)能夠長(zhǎng)期運(yùn)行下來，現(xiàn)在有 1 萬多個(gè)全節(jié)點(diǎn)，正是因?yàn)橛羞@樣的挖礦獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。出于對(duì)自己的利益考慮的礦工運(yùn)維著這個(gè)不屬于任何人、完全去中心化的網(wǎng)絡(luò)。

第二，再向外看，比特幣的挖礦機(jī)制在加入挖礦的計(jì)算機(jī)的算力不斷增加的情況下，這個(gè)挖礦機(jī)制是如何保持穩(wěn)定的？

比特幣挖礦的芯片已經(jīng)經(jīng)過幾輪演變，其計(jì)算能力越來越強(qiáng)：從 CPU 演變到 GPU（顯卡），再到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），再到現(xiàn)在的專用集成電路技術(shù)（ASIC），即只能進(jìn)行比特幣挖礦所需的哈希計(jì)算的專用芯片中。并且隨著礦機(jī)的升級(jí)迭代和數(shù)量增多，接入比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)、參與挖礦競(jìng)爭(zhēng)的計(jì)算算力越來越大。

相應(yīng)地，比特幣系統(tǒng)有這樣一個(gè)對(duì)應(yīng)的機(jī)制設(shè)計(jì)：隨著算力的增長(zhǎng)，調(diào)整目標(biāo)值的難度使得挖出一個(gè)區(qū)塊的時(shí)間始終是 10 分鐘左右。

這形成了一種動(dòng)態(tài)的平衡，維持區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)激勵(lì)的有效與穩(wěn)定。這個(gè)決定難度的公式非常簡(jiǎn)單明了，每挖出 2016 個(gè)區(qū)塊，也就是經(jīng)過約兩個(gè)星期，挖礦難度會(huì)進(jìn)行一次調(diào)整，該公式是：

下一個(gè)難度 = 上一個(gè)難度 × 2016 × 10分鐘 / 產(chǎn)生2016個(gè)區(qū)塊所需的時(shí)間

如果算力突然大幅度上升，產(chǎn)生上一組 2016 個(gè)區(qū)塊所需的時(shí)間變短，那么難度就會(huì)上升。在某些特殊情況下，如果產(chǎn)生上一組 2016 個(gè)區(qū)塊所需的時(shí)間變長(zhǎng)，那么難度也會(huì)下降，但這樣的情況并不多見。

因此，比特幣礦工節(jié)點(diǎn)的挖礦是它在運(yùn)行分布式賬本與去中心網(wǎng)絡(luò)。同樣重要的是，它也是比特幣的發(fā)行機(jī)制和整個(gè)社區(qū)的激勵(lì)機(jī)制。

比特幣的挖礦是比特幣的唯一發(fā)行機(jī)制，從中本聰挖出第一個(gè)區(qū)塊獲得 50 枚比特幣開始，比特幣這個(gè)加密數(shù)字貨幣就以這樣的去中心化方式不斷地發(fā)行了出來。

比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是由眾多節(jié)點(diǎn)組成的去中心網(wǎng)絡(luò)，而這些計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)分布式賬本，是因?yàn)橹斜韭斣谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)巧妙地加入了經(jīng)濟(jì)激勵(lì)：眾多比特幣礦工（即挖礦節(jié)點(diǎn)）在競(jìng)爭(zhēng)獲得記賬的權(quán)利，礦工每增加一個(gè)新的區(qū)塊能獲得對(duì)應(yīng)的記賬獎(jiǎng)勵(lì)。

比特幣的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)是以“競(jìng)爭(zhēng)-記賬-獎(jiǎng)勵(lì)”循環(huán)為核心的（見圖1），其中“競(jìng)爭(zhēng)”非常重要，即挖礦節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的算力競(jìng)爭(zhēng)。在比特幣系統(tǒng)這樣一個(gè)去中心網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)參與是出于獲得經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)勵(lì)的自利動(dòng)機(jī)，而記賬權(quán)利和對(duì)應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)需要通過競(jìng)爭(zhēng)來獲得。

在區(qū)塊鏈的相關(guān)探討中，有把“挖礦”一詞的含義擴(kuò)大的傾向，在這里我們認(rèn)為，只有生成區(qū)塊的計(jì)算行為，即運(yùn)維分布式賬本與去中心網(wǎng)絡(luò)的行為，才是真正意義上的挖礦。簡(jiǎn)單地說，只有生產(chǎn)區(qū)塊，才是挖礦。即便放寬要求，不再強(qiáng)求只有計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)區(qū)塊才是挖礦，我們也仍想強(qiáng)調(diào)，競(jìng)爭(zhēng)獲得對(duì)應(yīng)的權(quán)利和獎(jiǎng)勵(lì)，仍是必須的。沒有競(jìng)爭(zhēng)的獎(jiǎng)勵(lì)，是很難真實(shí)有效的。

圖1：比特幣的“競(jìng)爭(zhēng)-記賬-獎(jiǎng)勵(lì)”循環(huán)

通過討論比特幣區(qū)塊鏈的五個(gè)技術(shù)性細(xì)節(jié)，我們?cè)僖淮慰吹剑忍貛畔到y(tǒng)在發(fā)行和交易層面都實(shí)現(xiàn)了完全的去中心化：

一個(gè)交易的確認(rèn)，被寫入分布式賬本記錄下來，是由去中心網(wǎng)絡(luò)中互不信任的節(jié)點(diǎn)為了自己的利益相互以算力進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)而確認(rèn)的。
在競(jìng)爭(zhēng)挖礦的過程中，比特幣的發(fā)行是“憑空發(fā)行貨幣”，它的貨幣發(fā)行也是靠這個(gè)去中心網(wǎng)絡(luò)的算力競(jìng)爭(zhēng)來完成的，是去中心化的。

比特幣作為區(qū)塊鏈 1.0 的典型，完成了價(jià)值表示和價(jià)值轉(zhuǎn)移的概念驗(yàn)證（見圖2）。

比特幣區(qū)塊鏈?zhǔn)欠浅＞畹脑O(shè)計(jì)，它無須任何人的居中協(xié)調(diào)與領(lǐng)導(dǎo)就能持續(xù)發(fā)展。比特幣可能是迄今為止最成功的加密數(shù)字貨幣，比特幣區(qū)塊鏈在加密數(shù)字貨幣的應(yīng)用上堪稱完美。

比特幣區(qū)塊鏈即“區(qū)塊鏈1.0”是專為去中心化的電子現(xiàn)金設(shè)計(jì)的，而要在各個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，我們需要有更通用、性能更好的區(qū)塊鏈系統(tǒng)。