比特币如何挖矿(挖矿原理)-工作量证明

在区块链记账原理 一篇,我们了解到记账是把交易记录、交易时间、账本序号、上一个Hash值等信息计算Hash打包的过程。 我们知道所有的计算和存贮是需要消耗计算机资源的,既然要付出成本,那节点为什么还要参与记账呢?在中本聪(比特币之父)的设计里,完成记账的节点可以获得系统给与的一定数量的比特币奖励,这个奖励的过程也就是比特币的发行过程,因此大家形象的把记账称为“挖矿”,本文将详细讨论这个过程。

记账工作

由于记账是有奖励的,每次记账都可以给自己凭空增加一定数量的个比特币(当前是12.5比特币,博文写作时每个比特币是4万人民币以上,大家可以算算多少钱),因此就出现大家争相记账,大家一起记账就会引起问题:出现记账不一致的问题,比特币系统引入工作量证明来解决这个问题,规则如下:

  • 一段时间内(10分钟左右,具体时间会与密码学难题难度相互影响)只有一人可以记账成功
  • 通过解决密码学难题(即工作量证明)竞争获得唯一记账权
  • 其他节点复制记账结果

不过在进行工作量证明之前,记账节点会做进行如下准备工作:

  • 收集广播中还没有被记录账本的原始交易信息
  • 检查每个交易信息中付款地址有没有足够的余额
  • 验证交易是否有正确的签名
  • 把验证通过的交易信息进行打包记录
  • 添加一个奖励交易:给自己的地址增加12.5比特币

如果节点争夺记账权成功的话,就可以得到12.5比特币的奖励。

工作量证明

区块链记账原理我们了解到,每次记账的时候回把上一个块的Hash值和当前的账页信息一起作为原始信息进行Hash。 如果仅仅是这样,显然每个人都可以很轻松的完成记账。 为了保证10分钟左右只有一个人可以记账,就必须要提高记账的难度,使得Hash的结果必须以若干个0开头。同是为了满足这个条件,在进行Hash时引入一个随机数变量。 用伪代码表示一下:

12

# 没有难度时为:Hash(上一个Hash值,交易记录集) = 456635BCDHash(上一个Hash值,交易记录集,随机数) = 0000aFD635BCD

我们知道改变Hash的原始信息的任何一部分,Hash值也会随之不断的变化,因此在运算Hash时,不断的改变随机数的值,总可以找的一个随机数使的Hash的结果以若干个0开头(下文把这个过程称为猜谜),率先找到随机数的节点就获得此次记账的唯一记账权。

计算量分析

(这部分可选阅读)我们简单分析下记账难度有多大, Hash值是由数字和大小写字母构成的字符串,每一位有62种可能性(可能为26个大写字母、26个小写字母,10个数字中任一个),假设任何一个字符出现的概率是均等的,那么第一位为0的概率是1/62(其他位出现什么字符先不管),理论上需要尝试62次Hash运算才会出现一次第一位为0的情况,如果前两2位为0,就得尝试62的平方次Hash运算,以n个0开头就需要尝试62的n次方次运算。我们结合当前实际区块#493050信息来看看:

注:数据来源于https://blockchain.info 我们可以看到Hash值以18个0开头,理论上需要尝试62的18次方次,这个数是非常非常巨大的,我已经算不清楚了,应该是亿亿级别以上了。如此大的计算量需要投入大量的计算设备、电力等, 目前应该没有单矿工独立参与挖矿了,基本都是由矿工联合起来组成矿池进行挖矿(矿池里的矿工按算力百分比来分收益)。

从经济的角度讲,只有挖矿还有收益(比特币价格不断上涨也让收益变大),就会有新的矿工加入,从而加剧竞争,提高算力难度,挖矿就需要耗费更多的运算和电力,相互作用引起最终成本会接近收益。

题外话:国内由于电力成本较低,相对收益更高,中国的算力占整个网络的一半以上

验证

在节点成功找到满足的Hash值之后,会马上对全网进行广播打包区块,网络的节点收到广播打包区块,会立刻对其进行验证。

如果验证通过,则表明已经有节点成功解迷,自己就不再竞争当前区块打包,而是选择接受这个区块,记录到自己的账本中,然后进行下一个区块的竞争猜谜。 网络中只有最快解谜的区块,才会添加的账本中,其他的节点进行复制,这样就保证了整个账本的唯一性。

假如节点有任何的作弊行为,都会导致网络的节点验证不通过,直接丢弃其打包的区块,这个区块就无法记录到总账本中,作弊的节点耗费的成本就白费了,因此在巨大的挖矿成本下,也使得矿工自觉自愿的遵守比特币系统的共识协议,也就确保了整个系统的安全。

说明

矿工的收益其实不仅仅包含新发行的12.5比特币奖励,同时还有交易费收益(本文忽略一些细节是为了让主干更清晰)。

有兴趣的同学可以看看图中区块都包含了那些信息,红箭头标示出的是本文涉及的信息。

本文中有提到共识协议,比特币共识协议主要是由工作量证明和最长链机制 两部分组成,之后会有博文详细讲解。

原文发布于微信公众号 - 深入浅出区块链技术(blockchaincore)

原文发表时间:2017-11-06

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