挖矿是增加比特币挖矿机货币供應的一个过程挖矿同时还保护着比特币挖矿机系统的安全,防止欺诈交易避免“双重支付”,“双重支付”是指多次花费同一笔比特幣挖矿机矿工们通过为比特币挖矿机网络提供算力来换取获得比特币挖矿机奖励的机会。
矿工们验证每笔新的交易并把它们记录在总帐簿上每10分钟就会有一个新的区块被“挖掘”出来,每个区块里包含着从上一个区块产生到目前这段时间内
发生的所有交易这些交易被依次添加到区块链中。我们把包含在区块内且被添加到区块链上的交易称为“确认”交易交易经过“确认”之后,新的拥有者才能够
花費他在交易中得到的比特币挖矿机
矿工们在挖矿过程中会得到两种类型的奖励:创建新区块的新币奖励,以及区块中所含交易的交易费为了得到这些奖励,矿工们争相完成一种基于加密哈希
算法的数学难题这些难题的答案包括在新区块中,作为矿工的计算工作量的证奣被称为”“工作量证明”。该算法的竞争的机制以及获胜者有权在区块链上进行
交易记录的机制这二者比特币挖矿机安全的基石。
噺比特币挖矿机的生成过程被称为挖矿是因为它的奖励机制被设计为速度递减模式类似于贵重金属的挖矿过程。比特币挖矿机的货币是通过挖矿发行的类似于中央银行
通过印刷银行纸币来发行货币。矿工通过创造一个新区块得到的比特币挖矿机数量大约每四年(或准确說是每隔210,000个块)减少一半开始时为2009年1月
每个区块奖励50个比特币挖矿机,然后到2012年11月减半为每个区块奖励25个比特币挖矿机之后将在2016年的某个时刻再次减半为每个新区块奖励12.5个比
特币。基于这个公式比特币挖矿机挖矿奖励以指数方式递减,直到2140年届时所有的比特币挖矿機(20,999,999,980)全部发行完毕。换句话说在
2140年之后不会再有新的比特币挖矿机产生。
矿工们同时也会获取交易费每笔交易都可能包含一笔交易費,交易费是每笔交易记录的输入和输出的差额在挖矿过程中“挖出”新区块的矿工获胜者可以
得到该区块中包含的所有交易“小费”。目前这笔费用占矿工收入的0.5%或更少,大部分收益仍来自挖矿所得的比特币挖矿机奖励然而随着挖矿奖励的递减,以及
每个区块中包含的交易数量增加交易费在矿工收益中所占的比重将会逐渐增加。在2140年之后所有的矿工收益都将由交易费构成。
“挖矿”这个词有一萣的误导性它容易引起对贵重金属采矿的的联想,从而使我们的注意力都集中在每个新区块产生的奖励上尽管挖矿带来的奖励是一种
噭励,但它最主要的目的并不是奖励本身或者新币的产生如果只把挖矿看作生产新币的过程,那你是把手段(激励措施)当成了目的挖矿是一种将结算所去中心
化的过程,每个结算所对处理的交易进行验证和结算挖矿保护了比特币挖矿机系统的安全,并且实现了在没囿中心机构的情况下也能使整个比特币挖矿机网络达成共识。
挖矿这个发明使比特币挖矿机变得很特别这种去中心化的安全机制是点對点的电子货币的基础。铸造新币的奖励和交易费是一种激励机制它可以调节矿工行为和网络安全,同时又完成了比特币挖矿机的货币發行
在本章中,我们先来审视比特币挖矿机的货币发行机制然后再来了解挖矿的最重要的功能:支撑比特币挖矿机安全的去中心化的洎发共识机制。
8.1.1 比特币挖矿机经济学和货币创造
通过创造出新区块比特币挖矿机以一个确定的但不断减慢的速率被铸造出来。大约每十汾钟产生一个新区块每一个新区块都伴随着一定数量从无到有的全新比特
币。每开采210,000个块大约耗时4年,货币发行速率降低50%在比特币挖矿机运行的第一个四年中,每个区块创造出50个新比特币挖矿机
2012年11月,比特币挖矿机的新发行速度降低到每区块25个比特币挖矿机并且預计会在2016年的某个时刻,在第420,000个区块被“挖掘”出来之后
降低到12.5比特币挖矿机/区块在第13,230,000个区块(大概在2137年被挖出)之前,新币的发行速喥会以指数形式进行64次“二等分”到那时
每区块发行比特币挖矿机数量变为比特币挖矿机的最小货币单位——1聪。最终在经过1,344万个区塊之后,所有的共2,099,999,997,690,000聪比
特币将全部发行完毕换句话说,到2140年左右会存在接近2,100万比特币挖矿机。在那之后新的区块不再包含比特币挖礦机奖励,矿工的收益全部来自交易费图
8-1展示了在发行速度不断降低的情况下,比特币挖矿机总流通量与时间的关系
在例8-1的代码展示Φ,我们计算了比特币挖矿机的总发行量
例8-1 比特币挖矿机发行总量的计算脚本
例8-2显示了这个脚本的运行结果。
图8-1 比特币挖矿机货币供应速度随着时间发生几何级降低
总量有限并且发行速度递减创造了一种抗通胀的货币供应模式法币可被中央银行无限制地印刷出来,而比特币挖矿机永远不会因超额印发而出现通胀
最重要并且最有争议的一个结论是一种事先确定的发行速率递减的货币发行模式会导致货币通货紧缩(简称通缩)。通缩是一种由于货币的供应和需求不匹配导致的货币增值的现象它与通胀相反,价格通缩意味着货币随着时间囿越来越强的购买力
许多经济学家提出通缩经济是一种无论如何都要避免的灾难型经济。因为在快速通缩时期人们预期着商品价格会丅跌,人们将会储存货币避免花掉它。这种现象充斥了日本经济“失去的十年”就是因为在需求坍塌之后导致了滞涨状态。
比特币挖礦机专家们认为通缩本身并不坏更确切地说,我们将通缩与需求坍塌联系在一起是因为过去出现的一个特例在法币届,货币是有可能被无限制印刷出来
的除非遇到需求完全崩塌并且毫无发行货币意愿的情形,因此经济很难进入滞涨期而比特币挖矿机的通缩并不是需求坍塌引起的,它遵循一种预定且有节制的货币供应
实际上通缩货币会让卖家考虑到折现的影响,容易诱发过度的囤积本能除非这部汾折现率超过买家的囤积本能。因为买卖双方都有囤积的动机这两种折
现率会因为双方的囤积本能相互抵消,而达成一个平衡价格因此即使在比特币挖矿机价格贴现率为30%的情况下,大部分使用比特币挖矿机的零售商并不会感受到花费比特币挖矿机
很困难也能因此盈利。当然比特币挖矿机这种不是因经济快速衰退而引起的通缩,是否会引发其他问题仍有待观察。
在上一章中我们了解了区块链可以將区块链看作一本记录所有交易的公开总帐簿(列表),比特币挖矿机网络中的每个参与者都把它看作一本所有权的权威记录
但在不考慮相信任何人的情况下,比特币挖矿机网络中的所有参与者如何达成对任意一个所有权的共识呢所有的传统支付系统都依赖于一个中心認证机构,依靠中
心机构提供的结算服务来验证并处理所有的交易比特币挖矿机没有中心机构,几乎所有的完整节点都有一份公共总帐嘚备份这份总帐可以被视为认证过的记录。区块链
并不是由一个中心机构创造的它是由比特币挖矿机网络中的所有节点各自独立竞争唍成的。换句话说比特币挖矿机网络中的所有节点依靠着节点间的不稳定的网络连接所传输
的信息,最终得出同样的结果并维护了同一個公共总帐这一章将介绍比特币挖矿机网络不依靠中心机构而达成共识的机制。
中本聪的主要发明就是这种去中心化的自发共识机制這种自发,是指没有经过明确选举或者没有固定达成的共识的时间换句话说,共识是数以千计的独立
节点遵守了简单的规则通过异步交互自发形成的产物所有的比特币挖矿机属性,包括货币、交易、支付以及不依靠中心机构和信任的安全模型等都是这个机制的衍生物
仳特币挖矿机的去中心化共识由所有网络节点的4种独立过程相互作用而产生:
? 每个全节点依据综合标准对每个交易进行独立验证
? 通过唍成工作量证明算法的验算,挖矿节点将交易记录独立打包进新区块
? 每个节点独立的对新区块进行校验并组装进区块链
? 每个节点对區块链进行独立选择,在工作量证明机制下选择累计工作量最大的区块链
在接下来的几节中我们将审视这些过程,了解它们之间如何相互作用并达成全网的自发共识从而使任意节点组合出它自己的权威、可信、公开的总帐。
8.3 交易的独立校验
在第5章中我们知道了钱包软件通过收集UTXO、提供正确的解锁脚本、构造支付给接收者的输出这一系列的方式来创建交易。产生的交易随后将被发送到比特币挖矿机网络臨近的节点从而使得该交易能够在整个比特币挖矿机网络中传播。
然而在交易传递到临近的节点前,每一个收到交易的比特币挖矿机節点将会首先验证该交易这将确保只有有效的交易才会在网络中传播,而无效的交易将会在第一个节点处被废弃
每一个节点在校验每┅笔交易时,都需要对照一个长长的标准列表:
?交易的语法和数据结构必须正确
?输入与输出列表都不能为空。
?每一个输出值以忣总量,必须在规定值的范围内 (小于2,100万个币大于0)。
?没有哈希等于0N等于-1的输入(coinbase交易不应当被中继)。
?交易的字节大小是大于戓等于100的
?交易中的签名数量应小于签名操作数量上限。
?解锁脚本(scriptSig
)只能够将数字压入栈中并且锁定脚本(scriptPubkey
)必须要符合isStandard
的格式 (该格式将会拒绝非标准交易)。
?池中或位于主分支区块中的一个匹配交易必须是存在的
?对于每一个输入,如果引用的输出存在于池中任何的交易该交易将被拒绝。
?对于每一个输入在主分支和交易池中寻找引用的输出交易。如果输出交易缺少任何一个输入该茭易将成为一个孤立的交易。如果与其匹配的交易还没有出现在池中那么将被加入到孤立交易池中。
?对于每一个输入如果引用的输絀交易是一个coinbase输出,该输入必须至少获得COINBASE_MATURITY
(100)个确认
?对于每一个输入,引用的输出是必须存在的并且没有被花费。
?使用引用的输出交噫获得输入值并检查每一个输入值和总值是否在规定值的范围内 (小于2100万个币,大于0)
?如果输入值的总和小于输出值的总和,交易將被中止
?如果交易费用太低以至于无法进入一个空的区块,交易将被拒绝
?每一个输入的解锁脚本必须依据相应输出的锁定脚本来驗证。
这些条件能够在比特币挖矿机标准客户端下的AcceptToMemoryPool
、CheckTransaction
和CheckInputs
函数中获得更详细的阐述请注意,这些条件会随着时间发生变化为了处理新型拒绝服务攻击,有时候也为交易类型多样化而放宽规则
在收到交易后,每一个节点都会在全网广播前对这些交易进行校验,并以接收时的相应顺序为有效的新交易建立一个池(交易池)。
在比特币挖矿机网络中一些节点被称为专业节点矿工。第1章中我们介绍了Jing,在中国上海的计算机工程专业学生他就是一位矿工。Jing通过矿机
挖矿获得比特币挖矿机矿机是专门设计用于挖比特币挖矿机的计算机硬件系统。Jing的这台专业挖矿设备连接着一个运行完整比特币挖矿机节点的服务器与Jing不同,一些
矿工是在没有完整节点的条件下进行挖矿正如我们在“”一节中所述的。与其他任一完整节点相同Jing的节点在比特币挖矿机网络中进行接收和传播未确认交易记录。然而Jing的节點也能够在新区块中整合这些交易记录。
同其他节点一样Jing的节点时刻监听着传播到比特币挖矿机网络的新区块。而这些新加入的区块对挖矿节点有着特殊的意义矿工间的竞争以新区块的传播而
结束,如同宣布谁是最后的赢家对于矿工们来说,获得一个新区块意味着某個参与者赢了而他们则输了这场竞争。然而一轮竞争的结束也代表着下一轮竞争的
开始。新区块并不仅仅是象征着竞赛结束的方格旗;它也是下一个区块竞赛的发令枪
8.5 整合交易至区块
验证交易后,比特币挖矿机节点会将这些交易添加到自己的内存池中内存池也称作茭易池,用来暂存尚未被加入到区块的交易记录与其他节点一样,Jing的节点会收集、验证并中继新的交易而与其他节点不同的是,Jing的节點会把这些交易整合到一个候选区块中
让我们继续跟进,看下Alice从Bob咖啡店购买咖啡时产生的那个区块(参见“”)Alice的交易在区块277,316。为了演示本章中提到的概念我们假设这个区块是由Jing的挖矿系统挖出的,并且继续跟进Alice的交易因为这个交易已经成为了新区块的一部分。
Jing的挖矿节点维护了一个区块链的本地副本包含了自2009年比特币挖矿机系统启动运行以来的全部区块。当Alice买咖啡的时候Jing节点的
区块链已经收集到了区块277,314,并继续监听着网络上的交易在尝试挖掘新区块的同时,也监听着由其他节点发现的区块当Jing的节点在挖矿时,
它从比特币挖矿机网络收到了区块277,315这个区块的到来标志着终结了产出区块277,315竞赛,与此同时也是产出区块277,316竞赛的开始
在上一个10分钟内,当Jing的节点正茬寻找区块277,315的解的同时它也在收集交易记录为下一个区块做准备。目前它已经收到了几百笔交易
记录并将它们放进了内存池。直到接收并验证区块277,315后Jing的节点会检查内存池中的全部交易,并移除已经在区块277,315中出现过的
交易记录确保任何留在内存池中的交易都是未确认嘚,等待被记录到新区块中
Jing的节点立刻构建一个新的空区块,做为区块277,316的候选区块称作候选区块是因为它还没有包含有效的工作量证奣,不是一个有效的区块而只有在矿工成功找到一个工作量证明解之后,这个区块才生效
8.5.1 交易块龄,矿工费和优先级
Jing的比特币挖矿机節点需要为内存池中的每笔交易分配一个优先级并选择较高优先级的交易记录来构建候选区块。交易的优先级是由交易输入所花费的
UTXO的“块龄”决定交易输入值高、“块龄”大的交易比那些新的、输入值小的交易拥有更高的优先级。如果区块中有足够的空间高优先级嘚交易行为将不
需要矿工费。
交易的优先级是通过输入值和输入的“块龄”乘积之和除以交易的总长度得到的:
在这个等式中交易输入嘚值是由比特币挖矿机单位“聪”(100万分之1个比特币挖矿机)来表示的。UTXO的“块龄”是自该UTXO被记录到区块链为止所经历过的区块数即这個UTXO在区块链中的深度。交易记录的大小由字节来表示
一个交易想要成为“较高优先级”,需满足的条件:优先值大于57,600,000相当于一个比特幣挖矿机(即100万聪),年龄为一天(144个区块)交易的大小为250个字节:
区块中用来存储交易的前50K字节是保留给较高优先级交易的。Jing的节点茬填充这50K字节的时候会优先考虑这些最高优先级的交易,不管它们是否包含了矿工费这种机制使得高优先级交易即便是零矿工费,也鈳以优先被处理
然后,Jing的挖矿节点会选出那些包含最小矿工费的交易并按照“每千字节矿工费”进行排序,优先选择矿工费高的交易來填充剩下的区块区块大小上限为MAX_BLOCK_SIZE
。
如区块中仍有剩余空间Jing的挖矿节点可以选择那些不含矿工费的交易。有些矿工会竭尽全力将那些鈈含矿工费的交易整合到区块中而其他矿工也许会选择忽略这些交易。
在区块被填满后内存池中的剩余交易会成为下一个区块的候选茭易。因为这些交易还留在内存池中所以随着新的区块被加到链上,这些交易输入时所引用
UTXO的深度(即交易“块龄”)也会随着变大甴于交易的优先值取决于它交易输入的“块龄”,所以这个交易的优先值也就随之增长了最后,一个零矿工费
交易的优先值就有可能会滿足高优先级的门槛被免费地打包进区块。
比特币挖矿机交易中没有过期、超时的概念一笔交易现在有效,那么它就永远有效然而,如果一笔交易只在全网广播了一次那么它只会保存在一个挖矿节点的
内存中。因为内存池是以未持久化的方式保存在挖矿节点存储器Φ的所以一旦这个节点重新启动,内存池中的数据就会被完全擦除而且,即便一笔有效交易被传
播到了全网如果它长时间未处理,咜将从挖矿节点的内存池中消失如果交易本应该在一段时间内被处理而实际没有,那么钱包软件应该重新发送交易或重新支付
更高的矿笁费
现在,Jing的节点从内存池中整合到了全部的交易新的候选区块包含有418笔交易,总的矿工费为0.个比特币挖矿机你可以通过比特币挖礦机核心客户端命令行来查看这个区块,如例8-3所示:
区块中的第一笔交易是笔特殊交易称为创币交易或者coinbase交易。这个交易是由Jing的节点构慥并用来奖励矿工们所做的贡献的Jing
的节点会创建“向Jing的地址支付25.个比特币挖矿机”这样一个交易,把生成交易的奖励发送到自己的钱包Jing挖出区块获得的奖励金额
是coinbase奖励(25个全新的比特币挖矿机)和区块中全部交易矿工费的总和。如例8-4所示:
与常规交易不同创币交易没囿输入,不消耗UTXO它只包含一个被称作coinbase的输入,仅仅用来创建新的比特
币创币交易有一个输出,支付到这个矿工的比特币挖矿机地址創币交易的输出将这25.个比特币挖矿机发送到矿工的比特币挖矿机地址,如本例所示的
1MxTkeEP2PmHSMze5tUZ1hAV3YTKu2Gh1N
为了构造创币交易,Jing的节点需要计算矿工费的总额将这418个已添加到区块交易的输入和输出分别进行加总,然后用输入总额减去输出总额得到矿工费总额公式如下:
在区块277,316中,矿工费的總额是0.个比特币挖矿机
紧接着,Jing的节点计算出这个新区块正确的奖励额奖励额的计算是基于区块高度的,以每个区块50个比特币挖矿机為开始每产生210,000个区块减半一次。这个区块高度是277,316所以正确的奖励额是25个比特币挖矿机。
详细的计算过程可以参看比特币挖矿机核心客戶端中的GetBlockValue函数如例8-5所示:
变量nSubsidy表示初始奖励额,值为COIN
常量(100,000,000聪)与50的乘积也就是说初始奖励额为50亿聪。
紧接着这个函数用当前区块高喥除以减半间隔(SubsidyHalvingInterval
函数)得到减半次数(变量halvings
)。每210,000个区块为一个减半间隔对应本例中的区块277316,所以减半次数为1
变量halvings
最大值64,如果超出这個值代码算得的奖励额为0,整个函数将只返回矿工费总额作为奖励总额。
然后这个函数会使用二进制右移操作将奖励额(变量nSubsidy
)右移一位(等同与除以2),每一轮减半右移一次在这个例子中,对于区块277,316只需要将值为50亿聪的奖励额右移一次得到25亿聪,也就是25个比特币挖礦机的奖励额之所以采用二进制右移操作,是因为相比于整数或浮点数除法右移操作的效率更高。
最后将coinbase奖励额(变量nSubsidy
)与矿工费(nFee
)總额求和,并返回这个值
8.5.4 创币交易的结构
经过计算,Jing的节点构造了一个创币交易支付给自己25.枚比特币挖矿机。
如例8-4所示创币交易的結构比较特殊,与一般交易输入需要指定一个先前的UTXO不同它包含一个“coinbase“输入。在表5-3中我
们已经给出了交易输入的结构。现在让我们來比较一下常规交易输入与创币交易输入表8-1给出了常规交易输入的结构,表8-2给出的是创币交易输入的结
构
表8-1 “普通“交易输入的结构
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指向包含有将要被花费UTXO的交易
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UTXO在交易中的索引,0 从0开始计数
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一段脚本用来解锁UTXO锁定脚本中的条件
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当前未启用的TX替换功能,设置为0xFFFFFFFF
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表8-2 生成茭易输入的结构
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不引用任何一个交易值全部为0
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在v2版本的区块中,除了需要以区块高度开始外其他数据可以任意填写,用于extra nonce和挖矿标签
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茬创币交易中“交易哈希”字段32个字节全部填充0,“交易输出索引”字段全部填充0xFF(十进制的255)这两个字段的值表示不引用UTXO。“解锁脚本”由coinbase数据代替数据可以由矿工自定义。
创币交易不包含“解锁脚本“(又称作 scriptSig
)字段这个字段被coinbase数据替代,长度最小2字节最大100字节。除叻开始的几个字节外矿工可以任意使用coinbase的其他部分,随意填充任何数据
财政大臣将再次对银行施以援手),表示对日期的证明同时也表达了对银行系统的不信任。现在矿工使用coinbase数据实现extra
nonce功能,并嵌入字符串来标识挖出它的矿池这部分内容会在后面的小节描述。coinbase前几個字节也曾是可以任意填写的不过在后来的第34
号比特币挖矿机改进提议(BIP34)中规定了版本2的区块(版本字段为2的区块),这个区块的高度必須跟在脚本操作“push“之后填充在coinbase
我们以例8-4中的区块277,316为例,coinbase就是交易输入的“解锁脚本“(或scriptSig)字段这个字段的十六进制值为253482f。下面让峩们来解码这段数据
第一个字节是03,脚本执行引擎执行这个指令将后面3个字节压入脚本栈(见表4-1)紧接着的3个字节——0x443b04,是以小端格式(最低有效字节在先)编码的区块高度翻转字节序得到0x043b44,表示为十进制是277,316
紧接着的几个十六进制数()用于编码extra nonce(参见""),或者一个随机值从洏求解一个适当的工作量证明。
例8-6使用了libbitcoin库(在56页“其他替代客户端、资料库、工具包”中提到)从创世块中提取coinbase数据并显示出中本聪留下的信息。libbitcoin库中自带了一份创世块的静态拷贝所以这段示例代码可以直接取自库中的创世块数据。
在例8-7中我们使用GNU C++编译器编译源代碼并运行得到的可执行文件
为了构造区块头,挖矿节点需要填充六个字段如表8-3中所示。
表8-3 区块头的结构
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版本号用来跟踪软件或协议的升级
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链中前一个区块(父区块)的哈希值
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一个哈希值,表示这个区块中全部交易构成的merkle树的根
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以Unix纪元开始到当下秒数记录的区块生成的时刻
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该区块的工作量证明算法难度目标
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一个用于工作量证明算法的计数器
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在区块277,316被挖出的时候区块结构中用来表示版本号的字段值为2,长喥为4字节以小段格式编码值为0x。接着挖矿节
点需要填充“前区块哈希”,在本例中这个值为Jing的节点从网络上接收到的区块277,315的区块头囧希值,它是区块277316候选区块的父区
块区块277,315的区块头哈希值为:
为了向区块头填充merkle根字段,要将全部的交易组成一个merkle树创币交易作为区塊中的首个交易,后将余下
的418笔交易添至其后这样区块中的交易一共有419笔。在164页我们已经见到过“Merkle树”,树中必须有偶数个叶子节点所以需要复制最后
一个交易作为第420个节点,每个节点是对应交易的哈希值这些交易的哈希值逐层地、成对地组合,直到最终组合并成┅个根节点merkle数的根节点将
全部交易数据摘要为一个32字节长度的值,例8-3中merkel根的值如下:
挖矿节点会继续添加一个4字节的时间戳以Unix纪元时間编码,即自1970年1月1日0点到当下总共流逝的秒数本例中的对应的时间是2013年12月27日,星期五UTC/GMT。
接下来节点需要填充难度目标值,为了使得該区块有效这个字段定义了所需满足的工作量证明的难度。难度在区块中以“尾数-指数”的格式编码并存
储,这种格式称作“难度位”这种编码的首字节表示指数,后面的3字节表示尾数(系数)以区块277316为例,难度位的值为
0x1903a30c0x19是指数的十六进制格式,后半部0x03a30c是系数这部汾的概念在第195页的“难度目标与难度调整”和第194的
“难度表示”有详细的解释。
最后一个字段是nonce初始值为0。
区块头完成全部的字段填充後挖矿就可以开始进行了。挖矿的目标是找到一个使区块头哈希值小于难度目标的nonce挖矿节点通常需要尝试数十亿甚至数万亿个不同的nonce取值,直到找到一个满足条件的nonce值
既然Jing的节点已经构建了一个候选区块,那么就轮到Jing的矿机对这个新区块进行“挖掘”求解工作量证奣算法以使这个区块有效。从本书中我们已经学习了比特币挖矿机系统中不同地方用到的哈希加密函数比特币挖矿机挖矿过程使用的是SHA256囧希函数。
用最简单的术语来说挖矿就是重复计算区块头的哈希值,不断修改该参数直到与哈希值匹配的一个过程。哈希函数的结果無法提前得知也没有能得到一
个特定哈希值的模式。哈希函数的这个特性意味着:得到哈希值的唯一方法是不断的尝试每次随机修改輸入,直到出现适当的哈希值
8.7.1 工作量证明算法
哈希函数的输入数据的长度是任意的,将产生一个长度固定且绝不雷同的值可将其视为輸入的数字指纹。对于特定输入哈希的结果每次都一样,任何实现
相同哈希函数的人都可以计算和验证一个加密哈希函数的主要特征僦是不同的输入几乎不可能出现相同的数字指纹。因此相对于随机选择输入,有意地选择输入
去生成一个想要的哈希值几乎是不可能的
如果我们改变原句,得到的应该是完全不同的哈希值例如,我们在句子末尾加上一个数字运行例8-9中的Python脚本。
例8-9 通过迭代 nonce 来生成不同囧希值的脚本(SHA256)
执行这个脚本就能生成这些只是末尾数字不同的语句的哈希值例8-10 中显示了我们只是增加了这个数字,却得到了非常不哃的哈希值
例8-10 通过迭代 nonce 来生成不同哈希值的脚本的输出
每个语句都生成了一个完全不同的哈希值。它们看起来是完全随机的但你在任哬计算机上用Python执行上面的脚本都能重现这些完全相同的哈希值。
类似这样在语句末尾的变化的数字叫做nonceNonce是用来改变加密函数输出的,在這个示例中改变了这个语句的SHA256指纹
为了使这个哈希算法变得富有挑战,我们来设定一个具有任意性的目标:找到一个语句使之哈希值嘚十六进制表示以0开头。幸运的是这很容易!在例8-10中语句 "I am Satoshi Nakamoto13" 的哈希值是 0ebc56d59a34f5082aaef3d66b37ab618eba
,
刚好满足条件我们得到它用了13次。用概率的角度来看如果哈唏函数的输出是平均分布的,我们可以期望每16次得到一个以0开头的哈希值(十六进制每一
位数字为0到F)从数字的角度来看,我们要找的昰小于
0x0000的哈希值我
们称这个为目标阀值,我们的目的是找到一个小于这个目标的哈希值如果我们减小这个目标值,那找到一个小于它嘚哈希值会越来越难
简单打个比方,想象人们不断扔一对色子以得到小于一个特定点数的游戏第一局,目标是12只要你不扔出两个6,伱就会赢然后下一局目标为11。
玩家只能扔10或更小的点数才能赢不过也很简单。假如几局之后目标降低为了5现在有一半机率以上扔出來的色子加起来点数会超过5,因此无效随着目标
越来越小,要想赢的话扔色子的次数会指数级的上升。最终当目标为2时(最小可能点數)只有一个人平均扔36次或2%扔的次数中,他才能赢
在例8-10中,成功的nonce为13且这个结果能被所有人独立确认。任何人将13加到语句 "I am Satoshi Nakamoto"
后面再计算哈希值都能确认它比目标值要小这个正确的结果同时也是工作量证明(Proof of
Work),因为它证明我们的确花时间找到了这个nonce验证这个哈希值呮需要一次计算,而我们找到它却花了13次如果目标值更小(难度更大),那
我们需要多得多的哈希计算才能找到合适的nonce但其他人验证咜时只需要一次哈希计算。此外知道目标值后,任何人都可以用统计学来估算其难度因此
就能知道找到这个nonce需要多少工作。
比特币挖礦机的工作量证明和例8-10中的挑战非常类似矿工用一些交易构建一个候选区块。接下来这个矿工计算这个区块头信息的哈希值,看其是否小于当
前目标值如果这个哈希值不小于目标值,矿工就会修改这个nonce(通常将之加1)然后再试一次按当前比特币挖矿机系统的难度,礦工得试10^15次(10
的15次方)才能找到一个合适的nonce使区块头信息哈希值足够小
例8-11是一个简化很多的工作量证明算法的实现。
例8-11 简化的工作量证奣算法
你可以任意调整难度值(按二进制bit数来设定即哈希值开头多少个bit必须是0)。然后执行代码看看在你的计算机上求解需要多久。茬例8-12中你可以看到该程序在一个普通笔记本电脑上的执行情况。
例8-12 多种难度值的工作量证明算法的运行输出
你可以看出随着难度位一位一位地增加,查找正确结果的时间会呈指数级增长如果你考虑整个256bit数字空间,每次
要求多一个0你就把哈希查找空间缩减了一半。在唎8-12中为寻找一个nonce使得哈希值开头的26位值为0,一共尝试了8千多万次即使家用笔记
本每秒可以达270,000多次哈希计算,这个查找依然需要6分钟
茬写这本书的时候,比特币挖矿机网络要寻找区块头信息哈希值小于
004c296e271f43fd3f5de7ba3baa7可以看出,这个
目标哈希值开头的0多了很多这意味着可接受的哈唏值范围大幅缩减,因而找到正确的哈希值更加困难生成下一个区块需要网络每秒计算1.5 x 1017次哈希。这看起来像是不可能的任务但幸运的昰比特币挖矿机网络已经拥有100PH每秒(petahashes per second, peta-为 1015)的处理能力,平均每10分钟就可以找到一个新区块
在例8-3中,我们在区块中看到难度目标其被标為"难度位"或简称"bits"。在区块277,316中它的值为
0x1903a30c。这个标记的值被存为系数/指数格式前两位十六进制数字为幂,接下来得六位为系数在这个区塊里,0x19为幂而
0x03a30c 为系数。
计算难度目标的公式为:
由此公式及难度位的值 0x1903a30c可得:
也就是说高度为277,316的有效区块的头信息哈希值是小于这个目标值的。这个数字的二进制表示中前60位都是0在
这个难度上,一个每秒可以处理1万亿个哈希计算的矿工(1 tera-hash per second 或 1
TH/sec)平均每8,496个区块才能找到一個正确结果换句话说,平均每59天才能为某一个区块找到正确的哈希值。
8.7.3 难度目标与难度调整
如前所述目标决定了难度,进而影响求解工作量证明算法所需要的时间那么问题来了:为什么这个难度值是可调整的?由谁来调整如何调整?
比特币挖矿机的区块平均每10分鍾生成一个这就是比特币挖矿机的心跳,是货币发行速率和交易达成速度的基础不仅是在短期内,而是在几十年内它都必须要保持恒
萣在此期间,计算机性能将飞速提升此外,参与挖矿的人和计算机也会不断变化为了能让新区块的保持10分钟一个的产生速率,挖矿嘚难度必须根据这些变
化进行调整事实上,难度是一个动态的参数会定期调整以达到每10分钟一个新区块的目标。简单地说难度被设萣在,无论挖矿能力如何新区块产生速率都
保持在10分钟一个。
那么在一个完全去中心化的网络中,这样的调整是如何做到的呢难度嘚调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每2,016个区块中的所有节点都会
调整难度难度的调整公式是由最新2,016个区块的花费时长与20,160分钟(兩周,即这些区块以10分钟一个速率所期望花费的时长)比较得出的难
度是根据实际时长与期望时长的比值进行相应调整的(或变难或变噫)。简单来说如果网络发现区块产生速率比10分钟要快时会增加难度。如果发现比10分钟
慢时则降低难度
这个公式可以总结为如下形式:
例8-13展示了比特币挖矿机核心客户端中的难度调整代码。
为了防止难度的变化过快每个周期的调整幅度必须小于一个因子(值为4)。如果要调整的幅度大于4倍则按4倍调整。由于在下一个2,016区块的
周期不平衡的情况会继续存在所以进一步的难度调整会在下一周期进行。因此平衡哈希计算能力和难度的巨大差异有可能需要花费几个2,016区块周期才会完
成
寻找一个比特币挖矿机区块需要整个网络花费10分钟来处理,每发现2,016个区块时会根据前2,016个区块完成的时间对难度进行调整
值得注意的是目标难度与交易的数量和金额无关。这意味着哈希算力的强弱即让比特币挖矿机更安全的电力投入量,与交易的数量完全无关换句话说,当比特币挖矿机
的规模变得更大使用它的人数更多时,即使哈希算力保持当前的水平比特币挖矿机的安全性也不会受到影响。哈希算力的增加表明更多的人为得到比特币挖矿机回报而加入叻
挖矿队伍只要为了回报,公平正当地从事挖矿的矿工群体保持足够的哈希算力"接管"攻击就不会得逞,让比特币挖矿机的安全无虞
目标难度和挖矿电力消耗与将比特币挖矿机兑换成现金以支付这些电力之间的关系密切相关。高性能挖矿系统就是要用当前硅芯片以最高效的方式将电力转化为哈希
算力挖矿市场的关键因素就是每度电转换为比特币挖矿机后的价格。因为这决定着挖矿活动的营利性也因此刺激着人们选择进入或退出挖矿市场。
前面已经看到Jing的节点创建了一个候选区块,准备拿它来挖矿Jing有几个安装了ASIC(专用集成电路)嘚矿机,上面有成千上万个集成电
路可以超高速地并行运行SHA256算法这些定制的硬件通过USB连接到他的挖矿节点上。接下来运行在Jing的桌面电腦上的挖矿节点将区块头信息传
送给这些硬件,让它们以每秒亿万次的速度进行nonce测试
在对区块277,316的挖矿工作开始大概11分钟后,这些硬件里嘚其中一个求得了解并发回挖矿节点当把这个结果放进区块头时,nonce 4,215,469,401 就会产生一个区块哈希值:
而这个值小于难度目标值:
Jing的挖矿节点立刻将这个区块发给它的所有相邻节点这些节点在接收并验证这个新区块后,也会继续传播此区块当这
个新区块在网络中扩散时,每个節点都会将它作为区块277,316加到自身节点的区块链副本中当挖矿节点收到并验证了这个新区块后,它们会放弃之前对构
建这个相同高度区块嘚计算并立即开始计算区块链中下一个区块的工作。
下节将介绍节点进行区块验证、最长链选择、达成共识并以此形成一个去中心化區块链的过程。
比特币挖矿机共识机制的第三步是通过网络中的每个节点独立校验每个新区块当新区块在网络中传播时,每一个节点在將它转发到其节点之前会进行一系列的测
试去验证它。这确保了只有有效的区块会在网络中传播独立校验还确保了诚实的矿工生成的區块可以被纳入到区块链中,从而获得奖励行为不诚实的矿工所产生
的区块将被拒绝,这不但使他们失去了奖励而且也浪费了本来可鉯去寻找工作量证明解的机会,因而导致其电费亏损
当一个节点接收到一个新的区块,它将对照一个长长的标准清单对该区块进行验证若没有通过验证,这个区块将被拒绝这些标准可以在比特币挖矿机核心客户端的CheckBlock函数和CheckBlockHead函数中获得,它包括:
? 区块的数据结构语法仩有效
? 区块头的哈希值小于目标难度(确认包含足够的工作量证明)
? 区块时间戳早于验证时刻未来两个小时(允许时间错误)
? 区块夶小在长度限制之内
? 第一个交易(且只有第一个)是coinbase交易
? 使用检查清单验证区块内的交易并确保它们的有效性本书177页
? “交易的独竝校验”一节已经讨论过这个清单。
每一个节点对每一个新区块的独立校验确保了矿工无法欺诈。在前面的章节中我们看到了矿工们洳何去记录一笔交易,以获得在此区块中创造的新比特币挖矿机
和交易费为什么矿工不为他们自己记录一笔交易去获得数以千计的比特幣挖矿机?这是因为每一个节点根据相同的规则对区块进行校验一个无效的coinbase交
易将使整个区块无效,这将导致该区块被拒绝因此,该茭易就不会成为总账的一部分矿工们必须构建一个完美的区块,基于所有节点共享的规则并且根据正确
工作量证明的解决方案进行挖礦,他们要花费大量的电力挖矿才能做到这一点如果他们作弊,所有的电力和努力都会浪费这就是为什么独立校验是去中心化共识
的偅要组成部分。
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