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详解比特币挖矿原理

发布者:365bet体育网址-365bet体育在线手机版下载-365bet官方下载 发布时间:2019-10-30 04:01:26 浏览21次

  可以将区块链看作一本记录所有交易的公开总帐簿(列表),比特币网络中的每个参与者都把它看作一本所有权的权威记录。

  比特币没有中心机构,几乎所有的完整节点都有一份公共总帐的备份,这份总帐可以被视为认证过的记录。

  至今为止,在主干区块链上,没有发生一起成功的攻击,一次都没有。

  通过创造出新区块,比特币以一个确定的但不断减慢的速率被铸造出来。大约每十分钟产生一个新区块,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/区块。在第13,230,000个区块(大概在2137年被挖出)之前,新币的发行速度会以指数形式进行64次“二等分”。到那时每区块发行比特币数量变为比特币的最小货币单位——1聪。最终,在经过1,344万个区块之后,所有的共20,999,999.9769聪比特币将全部发行完毕。换句线万比特币。在那之后,新的区块不再包含比特币奖励,矿工的收益全部来自交易费。

  · 通过完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

  · 每个节点对区块链进行独立选择,在工作量证明机制下选择累计工作量最大的区块链

  一、独立验证在收到交易后,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)。

  每一个节点在校验每一笔交易时,都需要对照一个长长的标准列表:

  每一个输出值,以及总量,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0,N等于-1的输入(coinbase交易不应当被中继)。

  解锁脚本(Sig)只能够将数字压入栈中,并且锁定脚本(Pubkey)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,该交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,如果引用的输出交易是一个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。

  使用引用的输出交易获得输入值,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,交易将被中止。

  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验证。

  验证交易后,比特币节点会将这些交易添加到自己的内存池中。内存池也称作交易池,用来暂存尚未被加入到区块的交易记录。

  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。节点在填充这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,也可以优先被处理。

  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交易。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。由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满足高优先级的门槛,被免费地打包进区块。

  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。这个交易是由挖矿节点构造并用来奖励矿工们所做的贡献的。假设此时一个区块的奖励是25比特币,A挖矿的节点会创建“向A的地址支付25.1个比特币(包含矿工费0.1个比特币)”这样一个交易,把生成交易的奖励发送到自己的钱包。A挖出区块获得的奖励金额是coinbase奖励(25个全新的比特币)和区块中全部交易矿工费的总和。

  挖矿节点不断重复进行尝试,直到它找到的随机调整数使得产生的哈希值低于某个特定的目标。哈希函数的结果无法提前得知,也没有能得到一个特定哈希值的模式。举个例子,你一个人在屋里打台球,白球从A点到达B点,但是一个人推门进来看到白球在B点,却无论如何是不知道如何从A到B的。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,每次随机修改输入,直到出现适当的哈希值。

  上式的x的范围是0~2^32, TARGET可以根据当前难度求出的。

  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,你就会赢。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来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(最小可能点数),只有一个人平均扔36次或2%扔的次数中,他才能赢。

  比特币的区块平均每10分钟生成一个。这就是比特币的心跳,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定。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,挖矿的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,难度被设定在,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?难度的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每2,016个区块(2周产生的区块)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(两周,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(或变难或变易)。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。

  举个例子,当前A节点在挖277,316个区块,A挖矿节点一旦完成计算,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,每个节点都会将它作为第277,316个区块(父区块为277,315)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的计算,并立即开始计算区块链中下一个区块的工作。

  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,我们看到了矿工们如何去记录一笔交易,以获得在此区块中创造的新比特币和交易费。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币?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,该交易就不会成为总账的一部分。

  · 第二种是从主链上产生分支的(备用链),

  · 第三种是在已知链中没有找到已知父区块的。

  如果节点收到了一个有效的区块,而在现有的区块链中却未找到它的父区块,那么这个区块被认为是“孤块”。孤块会被保存在孤块池中,直到它们的父区块被节点收到。一旦收到了父区块并且将其连接到现有区块链上,节点就会将孤块从孤块池中取出,并且连接到它的父区块,让它作为区块链的一部分。当两个区块在很短的时间间隔内被挖出来,节点有可能会以相反的顺序接收到它们,这个时候孤块现象就会出现。

  每一个节点总是选择并尝试延长代表累计了最大工作量证明的区块链,也就是最长的或最大累计难度的链。

  当有两个候选区块同时想要延长最长区块链时,分叉事件就会发生。正常情况下,分叉发生在两名矿工在较短的时间内,各自都算得了工作量证明解的时候。两个矿工在各自的候选区块一发现解,便立即传播自己的“获胜”区块到网络中,先是传播给邻近的节点而后传播到整个网络。每个收到有效区块的节点都会将其并入并延长区块链。如果该节点在随后又收到了另一个候选区块,而这个区块又拥有同样父区块,那么节点会将这个区块连接到候选链上。其结果是,一些节点收到了一个候选区块,而另一些节点收到了另一个候选区块,这时两个不同版本的区块链就出现了。

  假设有这样一种情况,一个在加拿大的矿工发现了“红色”区块的工作量证明解,在“蓝色”的父区块上延长了块链。几乎同一时刻,一个澳大利亚的矿工找到了“绿色”区块的解,也延长了“蓝色”区块。那么现在我们就有了两个区块:一个是源于加拿大的“红色”区块;另一个是源于澳大利亚的“绿色”。这两个区块都是有效的,均包含有效的工作量证明解并延长同一个父区块。这个两个区块可能包含了几乎相同的交易,只是在交易的排序上有些许不同。

  比特币网络中邻近(网络拓扑上的邻近,而非地理上的)加拿大的节点会首先收到“红色”区块,并建立一个最大累计难度的区块,“红色”区块为这个链的最后一个区块(蓝色-红色),同时忽略晚一些到达的“绿色”区块。相比之下,离澳大利亚更近的节点会判定“绿色”区块胜出,并以它为最后一个区块来延长区块链(蓝色-绿色),忽略晚几秒到达的“红色”区块。那些首先收到“红色”区块的节点,会即刻以这个区块为父区块来产生新的候选区块,并尝试寻找这个候选区块的工作量证明解。同样地,接受“绿色”区块的节点会以这个区块为链的顶点开始生成新块,延长这个链。

  分叉问题几乎总是在一个区块内就被解决了。网络中的一部分算力专注于“红色”区块为父区块,在其之上建立新的区块;另一部分算力则专注在“绿色”区块上。即便算力在这两个阵营中平均分配,也总有一个阵营抢在另一个阵营前发现工作量证明解并将其传播出去。在这个例子中我们可以打个比方,假如工作在“绿色”区块上的矿工找到了一个“粉色”区块延长了区块链(蓝色-绿色-粉色),他们会立刻传播这个新区块,整个网络会都会认为这个区块是有效的,如上图所示。

  “蓝色-绿色-粉色”和“蓝色-红色”。如上图所示,这些节点会根据结果将“蓝色-绿色-粉色”这条链设置为主链,将“蓝色-红色”这条链设置为备用链。这些节点接纳了新的更长的链,被迫改变了原有对区块链的观点,这就叫做链的重新共识。因为“红”区块做为父区块已经不在最长链上,导致了他们的候选区块已经成为了“孤块”,所以现在任何原本想要在“蓝色-红色”链上延长区块链的矿工都会停下来。全网将“蓝色-绿色-粉色”这条链识别为主链,“粉色”区块为这条链的最后一个区块。全部矿工立刻将他们产生的候选区块的父区块切换为“粉色”,来延长“蓝色-绿色-粉色”这条链。

  比特币将区块间隔设计为10分钟,是在更快速的交易确认和更低的分叉概率间作出的妥协。更短的区块产生间隔会让交易清算更快地完成,也会导致更加频繁地区块链分叉。与之相对地,更长的间隔会减少分叉数量,却会导致更长的清算时间。

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