挖矿是场接力赛,史上最通俗版本详解比特币挖矿

摘要:当然随着全网算力的提高,篡改的难度就越来越大了,因为你要改至少51%的全节点的账本,这就要求你的算力至少是其他51%全节点的总和。

来源:白话区块链 作者: 段扬扬

相信很多人都听说过比特币挖矿的说法,不知道有多少人真正理解这个概念。在矿产领域,挖矿的概念其实很容易理解,就是从富含某种矿物质的矿石中提炼出矿物质的过程,而所谓的矿工就是那些头戴安全头盔,从事提炼矿物质的工人,他们的形象在我们的脑海中恐怕一点也不陌生。

比特币世界的挖矿和矿产领域的挖矿还是有很多相似之处的,都是在挖掘有价值的资产,都需要花费一定的代价,都能给挖矿的人带来一定的收益。矿产领域的挖矿可以得到相对稀缺的矿产资源,同时要付出体力和承担安全风险的代价;而比特币的挖矿可以得到比特币奖励,同时要付出计算机算力的代价。

矿产领域的矿工是靠大型的机械设备,而比特币世界里的矿工是靠专业的计算机设备,伴随着激烈竞争,比特币的挖矿设备从最开始的普通计算机,到现在的越来越专业的挖矿设备。

不过比特币世界的挖矿和矿产领域的挖矿也还是有很多不同的,比特币世界的挖矿还是发行新比特币的唯一方式,同时也是在去中心化的网络中保证民主和竞争的重要手段,但是它也不是一点坏处都没有,比如浪费了大量的计算机算力和电力。至于为什么会这么说,看完接下来的文字我想你就会明白了。

文章导读:

1.什么是挖矿2.如何证明谁的工作量最多3.什么是工作量证明(POW)4.挖矿是一场接力赛5.小结

1.  什么是挖矿

如果还不了解区块链的话,可以参考不懂技术?老司机带你轻松理解区块链知识,比特币的网络中传播着大量的交易信息,既然没有中心化的统一服务,那么谁来确认这些交易的合法性,以及达成统一的共识呢?我们可以想想中心化服务的支付宝是如何解决这两个问题的,支付宝其实是买卖双方的中间担保,它负责确认每一笔交易是否合法,并且等双方在线下的交易没有问题时,才将资金转给卖方,这就保证了不会出现某一方作弊或者不认账的问题。

但是比特币网络中没有像支付宝这样的担保角色,那么它是如何做到交易的正常进行的呢?其实答案也很简单,就是由网络中的所有全节点共同决定这份交易是否合法,通过共同维护同一份帐薄来确保交易不会违约和篡改。

这就如同有10个人共同见证了两个人的交易,并一起确认这笔交易的合法性,同时每个人都维护了一份账本,这笔交易会记录到每个人各自维护的同一套账本上,如果有人要违约或篡改交易数据,他需要同时改掉至少6个人的账本(少数服从多数)。否则如果只改自己的那一份账本,别人很容易就看出他的作弊行为,想想掩耳盗铃的故事应该就能明白了。

说回到比特币世界的挖矿,挖矿就是比特币世界里的矿工确认每一笔交易是否合法(关于如何确认交易合法,可以参考一文看懂比特币交易的全过程),并将合法的交易写入到统一的公共帐薄上,同时会获得一定的新比特币和交易费的奖励的过程。奖励是为了鼓励更多的矿工加入进来,确保不会出现某一个节点独断专权的情况,至于奖励给哪一个矿工,这就要看谁的工作量更多了,在比特币的世界里,是靠共同解决某一个数学问题来证明工作量的多少。

这就如同在竞争激励的市场经济中,每个公司都会拼尽全力提供更好的服务和产品才能生存下去,这样就不太容易产生垄断和腐败,而竞争的结果促进了资源的有效配置,社会的整体财富就会不断增长,最终所有人都会受益,当然受益最大的还是对社会贡献最大的企业家。

而在计划经济下,所有的生产安排和资源分配,都掌握在少数人手中,权力的过度集中必然会导致腐败,也不利于资源的合理配置,长远来看,只能是绝大大多数人普遍赤贫,而受益最大的往往是掌握更多资源的人。想想改革开放前后的中国,就能明白计划经济和市场经济的不同效果了。

总结一下,挖矿就是矿工为了得到新发行的比特币和交易费的奖励,主动去确认交易是否合法,并将合法的交易写入共同维护的帐薄中的过程。而奖励是为了确保矿工有更多的积极性,避免权力集中在少数人手中,同时奖励也是比特币发行的唯一方式。

2.  如何证明谁的工作量更多

刚才提到了挖矿的奖励会给工作量最多的那个人,那么如何证明谁的工作量最多呢。其实也很简单,就是大家共同去解同一道数学题,这道数学题需要一定的计算量才能做出来,而率先得到答案的矿工就是最终的胜出者,分享最终的奖励。

相信大家以前都玩过数独游戏(没玩过的同学请自行搜索游戏规则),简单来说就是每一行与每一列必须出现1~9的数字,每个小九宫格内也必须有1~9的数字,并且每个数字在每行、每列和每个小九宫格里出现且仅能出现一次。游戏刚开始只会给出有限的几个位置上的数字,其他的位置都需要计算分析才能得出来正确的数字。

由这张游戏图可以看出,想要计算分析出每一个位置上的数字,还是需要花费不少力气的,但是填完之后来验证是否正确就简单很多,看一下横排、竖排以及小九宫格是否没有重复的数字即可。

而比特币挖矿的数学题也有这样的特性,就是计算起来很费事,但是验证起来却很简单。当然了,挖矿的数学题不是求解一道数独题目,而是计算一道概率题。

先举一个简单的掷骰子游戏,假如说有两个骰子,如果我说掷出一个骰子之和小于等于12的组合,你肯定会说这还不简单,随便掷,任一个组合都肯定小于等于12,一点难度都没有。好,那假如我把条件设为小于等于8呢,可能就不是每次都能掷出来了,它的概率是0.72;如果我再把条件设小呢,如果是4呢,那么掷出来的可能性就会进一步减小,概率为0.11。(这里默认大家都会计算概率,如果不懂的话,只需要知道概率在不断减小就可以,想想现实的场景,这点应该不难理解)

3.  什么是工作量证明(POW)

理解了掷骰子游戏,再来介绍挖矿的工作量证明(POW Proof-Of-Work)算法就很简单了,在之前一篇介绍区块链的文章不懂技术?老司机带你轻松理解区块链知识中,曾经提到过区块的数据结构,当时提到了两个数据是和挖矿相关的,当时没有详细说明,现在就可以拿出来分析了。

这里的难度目标和Nonce就是和挖矿相关的参数,我们都知道比特币网络平均每10分钟产生新的比特币,也就是说挖矿的平均时间为10分钟,也许你会问怎么确保刚好是10分钟呢。其实答案很简单,就是控制数学题目的难度,假如某个人的解题速度在不断提升,那么我只要提高题目难度,就可以保证他解答的时间大致衡定。

在比特币世界中,解题速度和计算机的算力有直接的关系,想想今天的一台计算机和20年前的一台计算机去解同一道复杂的数学题,谁先计算出来,我想你肯定也认同是今天的计算机率先求出答案。如果我告诉你,谁先解出答案,就给谁丰厚的奖励,大家肯定会拼命提高计算机的性能,这也是全球各个矿工在不断提高算力的原因,因为大家都想快速解出答案,以获得奖励。

说回到难度目标和Nonce两个参数,挖矿的题目是这样的,每一个区块头都有唯一的哈希值,我现在要求你在这个哈希值后面添加一个随机数字(一般是从零开始递增),然后再去计算这个结果的哈希值,直到求出来的哈希值小于某一个数字,而这个数字是由一个常数除以上面的难度目标得出来的。

如果你理解了上面的掷骰子游戏应该能看懂这道题目,其实就是通过不同的数字不断地计算哈希值,直到答案小于某一个目标数字,这个目标数字越小,难度就越大,跟上面的骰子一样,结果越小,掷出来的概率就越小。而这个目标数字是由难度目标决定的,难度目标数字越大,除出来得到的目标数字就越小。

Nonce计数器主要是统计总共计算了多少次,就如同掷骰子一样,虽然可以一把掷出要求的数字,但是多次平均下来,肯定是符合概率统计的,这样别的矿工就可以根据Nonce数字大小再一次印证这个矿工是否有作弊。

至此你应该已经明白工作量证明算法的大致逻辑了吧,本质上就是在求一个概率题,谁先算出来就算谁赢,奖励就归谁。难度随着答题的速度会动态调整,而这个难度就是由上面的难度目标值决定,这样就能保证平均每10分钟完成一次挖矿。

4.  挖矿是一场接力赛

一旦一个矿工成功挖矿,根据数独游戏的逻辑,其他矿工很快就能验证是否成功,一旦验证通过就会将区块放入自己维护的区块链中,并赶紧投入到下一次的挖矿,不带有一丝一毫的犹豫。如此激烈的竞争伴随的结果,就是每个矿工都不断提升自己的计算机性能,结果就是大家的挖矿设备都不断升级,以至于现在的矿场都是紧挨发电厂,用最先进的专用挖矿芯片。

这里其实还有一个问题,就是假如说有两个矿工同时计算出结果怎么办?这个时候就会出现分叉,也就是说区块链的末端区块存在分歧了,其实这只会临时出现,并不会长久存在。原因是一旦其他矿工确认了本次挖矿成功,就会投入到下一次挖矿,如果其他矿工又挖矿成功了,这条区块链路就会比另一条区块链路多出一个区块,区块链中的原则就是只认最长的链路,所以另一个挖矿成功的矿工很快就会舍弃之前的区块,以最长的区块链为准。

而奖励也是要得到大多数的矿工认可后才会有效,毕竟账本是所有的人一起维护的,只有大多数人的账本上认可你的挖矿结果才有效。所以临时的分叉并不会影响最终的奖励,其实10分钟的挖矿时间也是比特币之父“中本聪”对效率和共识的一种平衡。

看到这里也许你就会明白,为什么会说挖矿浪费了很多算力和电力,因为胜出者往往只有一个,其他的矿工就相当于白忙活了,但是他们的计算机已经投入计算了,这笔算力和与之相对应的电力也就此浪费了。

这恐怕就是为了维护民主化的代价,如果让中心化的节点去统一确认交易,并写入公共帐薄,那么很容易滋生出腐败,这也不符合中本聪一开始的去中心化的设计理念,但是靠挖矿决定输赢又会导致资源浪费,只能说任何事情都是有成本和代价的,只要收益大于成本,这件事就有做的价值,比特币现在的价格相比用于计算的电费还是划算得多。

5. 小结

关于比特币的挖矿到此就全部介绍完了,不知道你有没有看明白。总结一下就是矿工将一定数量的交易打包到同一个区块,然后共同去计算同一道数学题来决定以谁的区块链为准,并且决定谁赢得新发行的比特币和交易费。这种靠竞争来解决交易共识的问题,避免了单一节点垄断整个网络的风险,让整个网络形成了良性竞争的局面。

当然随着全网算力的提高,篡改的难度就越来越大了,因为你要改至少51%的全节点的账本,这就要求你的算力至少是其他51%全节点的总和,这个难度现在已经大到无法想象的程度,而且即便能做到,为此付出的电费代价也会让篡改者掂量一下这么做是否划算。关于比特币的挖矿到此就全部介绍完了,不知道你有没有看明白。总结一下就是矿工将一定数量的交易打包到同一个区块,然后共同去计算同一道数学题来决定以谁的区块链为准,并且决定谁赢得新发行的比特币和交易费。这种靠竞争来解决交易共识的问题,避免了单一节点垄断整个网络的风险,让整个网络形成了良性竞争的局面。

当然随着全网算力的提高,篡改的难度就越来越大了,因为你要改至少51%的全节点的账本,这就要求你的算力至少是其他51%全节点的总和,这个难度现在已经大到无法想象的程度,而且即便能做到,为此付出的电费代价也会让篡改者掂量一下这么做是否划算。


本文为 品途商业评论(https://www.pintu360.com)转载作品,作者: 段扬扬,责编:冯群英。转载()请联系原作者。本文仅代表作者观点,不代表品途商业评论观点。

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