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比特幣挖礦

02-12

比特幣的網路是依賴礦工而運行的，因為比特幣是一個去中心化的網路，每一個礦工就相當於網路上的一個節點。他們查證交易記錄，製造和存儲所有的區塊，並對被寫入區塊鏈的區塊達成共識。

要成為比特幣礦工，首先必須要加入比特幣網路並與其他節點建立連接。建立連接以後，主要需要完成6個任務：

  1. 維護區塊鏈網路。必須先維護區塊鏈網路，為了做到這一點，一開始你可以要求其他節點把區塊鏈上的歷史記錄同步過來。
  2. 監聽交易廣播。每個礦工都需要監聽網路上的交易廣播，然後驗證該交易是否有效。包括檢驗交易腳本，是否有雙重交易等。
  3. 監聽新的區塊。礦工都需要監聽那些網路上廣播的新的區塊，並驗證是否有效，包括每筆交易是否有效，
  4. 組裝一個備選區塊。一旦擁有最新的全部區塊鏈數據備份，你就可以製造自己的區塊了。需要把監聽到的所有交易組合併放進一個新的備選的區塊，同時保證裡面的每個交易都是有效的。
  5. 找到一個讓你的區塊有效的隨機數。這是礦工工作中最難的一個環節，也就是常說的pow工作量證明最關鍵的地方
  6. 將你的區塊廣播出去。如果你成功挖出一個區塊，那就要廣播出去，並希望其他礦工接受你的區塊，然後從該區塊繼續接龍下去。當然，這一步你也可能會遇到競爭對手。
  7. 獲得獎勵。如果所有其他礦工接受了你的區塊，也就是你的區塊成為了區塊鏈上的一個新的節點，那麼你就會獲得相應的獎勵。

所以，一個全節點的礦工任務主要有兩類：第一類是驗證交易和區塊，這是比特幣網路賴以生存和運轉的基礎。第二類任務是和其他礦工競爭，爭取獎勵，這是為了鼓勵礦工完成第一類任務而設立的，礦工只有獲得了獎勵，才會心甘情願地去完成重要的任務，同時競爭時付出了一定的代價，也增加了惡意行為的成本，使得礦工自覺地變得「誠實」起來。

挖礦流程

在挖礦之前要構件好區塊，每一個區塊主要是由區塊頭部和交易組成。區塊內的所有交易以Merkle樹的結果存在，並且將樹根存儲在區塊頭部中，區塊頭部結構如下：

當區塊構建好後，就要開始挖礦。挖礦簡單說就是做一道數學題：題目就是把當前準備的區塊頭部中的父區塊哈希值，Merkle樹根，nonce值進行一個哈希運算，如果哈希結果小於目標值，那麼就表示把這道題解出來了，也表示挖礦成功了。挖礦成功後，就打包這個區塊，向全網廣播，等待加入到區塊鏈中。如果哈希結果大於目標值，那麼就表示此次未能解出答案，那麼就會將Nonce值加1，重複整個過程。流程如下：

Nonce，隨機數

Nonce值加1，雖然只是改變了1個比特，但是對於整個哈希結果來說，可能就是千差萬別的。如果Nonce從一串0開始，每次加1，那麼就會有2的32次方種可能，在這些可能中找出一個滿足解題規則的值。那麼問題來了，如果隨機數試過了32位所有的可能性之後，仍然不能產生一個有效的哈希值怎麼辦？

如下圖，除了Nonce這個隨機數，在coinbase的交易中（每個區塊的第一筆交易），還有一個可以調整的隨機數，當遍歷了Nonce所有的可能性不能得到有效值後，可以改變coinbase交易里的隨機數，整個Merkle樹上交易的哈希值都會改變，那麼頭部的Merkle根植也會改變，接著，可以重新按照上面流程，改變Nonce的值。

可以看出，改變交易中coinbase隨機數比改變頭部Nonce隨機數代價大得多，所以，只有在遍歷了Nonce所有的可能性還沒找到一個有效區塊時，才去改動coinbase的隨機數。

一般情況下，你所嘗試的絕大多數隨機數都不會成功，但是若能夠堅持足夠長的時間，總能找到一對正確的臨時隨機數組合---頭部Nonce隨機數和coinbase隨機數，用來產生一個符合哈希值要求的新區開。找到後可以立即宣布，就有希望得到相應的區塊獎勵。

每個人都在運算同一個謎題嗎？

你可能會想，每個礦工都在臨時隨機數值上加1，豈不是都按照同一個模式解同樣的題，那麼速度快的礦工豈不是一直都快，一直都能贏呢？從現實結果來看，肯定不是的。就算每個礦工準備的區塊中，頭部的父區塊哈希和Nonce隨機數一摸一樣，那Merkle樹根值也不可能一樣。原因有幾個：1. 每個礦工準備的區塊中包含的交易或多或少有區別，2. 每個礦工準備的區塊中的交易次序可能會有差異，3. coinbase交易中，礦工會寫自己的地址接收新幣，不同的礦工地址是不同的。以上三種情況，只要稍微有些不同，那麼這些區別會沿著Merkle樹往上傳遞直達樹根，導致整棵樹的哈希值差別非常大。

挖礦難度

我們在一些比特幣相關的網站上，經常可以看到如上所示的比特幣難度說明。它顯示了當前比特幣網路的全網算力，當前挖礦的難度和下一次難度調整的時間和幅度。

比特幣網路每挖出2016個區塊，挖礦難度會改變一次。因為每個區塊大概10分鐘，通過一個簡單的數學計算，可以得出，每2個星期會調整一下挖礦難度。根據實際時長和期望時長的比值，如果區塊產生的速率比10分鐘快，則增加難度，比10分鐘慢則降低難度。下一個挖礦難度公式為：

新難度值 = 當前難度值 * ( 產生上2016個區塊所花費的時間 / 2016 × 10分 )

所以，這個公式的意義就在於，將全網難度維持平均每10分鐘一個區塊的速度。為什麼要選擇挖礦難度兩周一調整，其實也沒有什麼特別的意義，就是一個權衡結果。如果太短，難度會隨著每一個周期找到的區塊數目不同而波動（概率問題），如果太長，整個網路的哈希算力就會與難度大大的失衡（難度的調整滯後於計算能力的變化）

我感覺比特幣系統的巧妙就在這裡，很多設計看起來平平無奇，其實很有深意。比如又為什麼要10分鐘出一個區塊，為什麼生成地址時使用base58，為什麼要對公鑰做雙哈希運算等等。

比特幣的挖礦難度受什麼影響呢？最主要受全網算力的影響，而全網算力受到有多少新的礦工加入的影響，新礦工加入本身又是由比特幣的當前價格來決定的。總的來說，當越來越多的礦工加入並且挖礦的設備效率越來越高時，找到有效區塊的時間就越來越短，按照上面的公式，分母就會變小，導致難度增加，直到重新回到每10分鐘一個區塊。

每個比特幣礦工獨立地計算難度，只接受達到這個難度的區塊。兩個在不同分叉上的礦工可能會有不同的計算難度，但在同一個區塊鏈上工作的礦工一定會對計算難度達成共識。

目標值

目標值是根據難度來的，兩者的關係是難度越大，目標值就越小，反之難度越小，目標值就越大。計算公式是：

目標值 = 最大目標值 ／ 難度值

其中最大目標值是一個恆定值，即00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF（64位16進位），得出的目標值是也是一個64位16進位（即256位二進位）的數字，使用16進位來表示形式如：

000c975dea7bb4c4998040ab8fe6dab0471abebbf0173fc29921f68ffcaba44c

前面的0越多，就表示目標值越小，那麼為什麼目標值越小，挖礦就越難呢？下面我用一段代碼來說明一下：

上面的代碼中hashnum的參數表示sha256運算後得到的哈希值前面有幾個0，關係大概是：

6個0以下大概需要0到3秒鐘，7至8個0大概需要1分鐘左右，9個0需要4分鐘，10個0以上我的電腦跑到內存溢出也沒算出來。

現在的目標值，前面的0已經在20個以上了，每增加一個0，挖礦的難度增加都是指數級的增長。

挖礦的硬體

CPU挖礦

第一代挖礦是在普通電腦上完成的，也就是用通用中央處理器CPU來運算。CPU的演算法一般是礦工按照如下代碼，簡單地按照線性方式嘗試所有臨時變數值，在軟體中進行SHA-256運算，並檢查結果是否找到一個有效區塊。需要注意的是，這段代碼實際進行了兩次HASH-256運算

TARGET = (65535 << 200)/DIFFICULTY;coinbase_nonce = 0;while(1){ header = makeBlockHeader(transactions,coinbase_nonce) for (header_nonce=0 ; header_nonce < (1 << 32); header_nonce++){ if ( SHA256(SHA256(makeBlock(header,header_nonce))) < TARGET ) break; } coinbase_nonce++;}

那麼普通電腦運行這段代碼有多快？我用自己的筆記本電腦測試了一下。我的電腦是MacOS，配置是處理器2.9GHz Core i5，內存8G，使用下面代碼測試了一下運算速度

可以看出測試做了100萬次sha256運算用時1.4秒，接近於1GH/s，現在全網算力是13.42 EH/s，是我電腦的百億倍。

GPU挖礦

第二代礦工發現CPU已經無利可圖時，就使用起了GPU。GPU的好處是有著高吞吐量和高並行處理功能，這兩點對比特幣挖礦都十分有利。比特幣挖礦可以進行大量的並行計算，因為你可以同時用不同的臨時隨機數計算多個哈希值。

而且，GPU都可以超頻，這意味著如果你願意承擔顯卡過熱或者故障風險的話，可以讓顯卡以高頻率更快地進行。超頻的好處是可以更快地計算，但是也會引發一些運算錯誤

一個高端的GPU超頻之後可以達到200MH/s，也就是每秒2億次哈希運算。這是CPU不可能達到的量級。但是以現在的難度，就算把100塊顯卡放在一起，也需要幾千年的時間才能挖出來。

GPU挖礦也有缺點。GPU有大量的內置硬體來進行圖像處理，這對比特幣挖礦毫無用處，而且GPU沒有很好地冷卻處理設置，並且非常耗電。

FPGA挖礦

2011年，一種現場可編程門陣列，也就是FPGA第一次用於比特幣挖礦，一些礦工開始使用FPGA代替GPU。

FPGA的原理是追求定製硬體的最佳性能的同時，用戶可以現場調試或者修改硬體參數。相比之下，常用的硬體都是在出廠之前就設計好的，以後無法完成定製而只能永遠做同樣的工作。

FPGA比GPU性能好，很容易冷卻。FPGA可以將運輸速度上升到1GH/s，不過即使這個速度，想挖出一個區塊，也是猴年馬月的事情了。

雖然FPGA性能好，但使用的時間很短，主要是因為，幾乎需要一直超頻使用，這就導致各種報錯和故障，雖然可以現場調試，但是優化很困難，而且一般人也不會進行相應的搭建和編程。而且性能功耗方面，相對於GPU並沒有一個很大的提升。

ASIC礦機

一種專門針對比特幣挖礦的IC晶元，設計， 製造，優化完全是為了比特幣挖礦這一個唯一目的。目前有幾個供應商出售這些晶元，我們可以在市場上買到不同種類的ASIC礦機。

設計ASIC晶元需要非常專業的知識，它們所需的研發周期也比較長，不過ASIC晶元的設計也出乎意料的迅速，還打破了晶元行業的業界記錄。

不過ASIC的更新速度很快，絕大部分早起的ASIC晶元在6個月後就被淘汰。大部分的利潤都是在早起實現的，礦工往往在ASIC晶元的前6個月就已經實現了利潤的一半。這就要求晶元的出貨速度要非常快，不過還說經常出現晶元送到客戶手裡的時候差不多就已經淘汰了。

礦池

比特幣挖礦已經從個人領域轉移到了大型專業挖礦中心。一個挖礦中心的三個重要因素往往是氣候，電費，網速。冷卻是比特幣挖礦最大的挑戰，選擇一個氣候便寒的地方，可以節省大量的冷卻費用，而且電費要便宜，網速也要快。

每個礦池都有一個幣基接收人，和一種分紅規則。分紅規則一般是按照每個礦工的工作量分紅，或者按照礦池實際找到的有效區塊分紅。而且分紅的內容有些礦池包含coinbaise和手續費，有些只包含coinbase。

比特幣挖礦經歷了一個逐步演化的過程：從CPU到GPU，到FPGA，到ASIC。就像歷史上的挖金礦類似，從個人拿著盤子在沙裡淘金，到一小群人用流沙槽來淘金，再到一群人用水沖刷金山來淘金，直到現在機械化挖礦，這裡面的相似點是，很大一部分的利潤都被設備製造商拿走了。

比特幣礦工變得越來越中心化和專業化，整個系統的算力也越來越大，從長期來看，比特幣的獎勵也從固定的挖礦獎勵轉變為交易費為主。這樣的變化，真的不知道將來會如何演化。


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