北大-区块链技术与应用8-BTC挖矿

一、全节点

1、一直在线

2、在本地硬盘上维护完整的区块链信息

3、在内存里维护 UTXO 集合，以便快速检验交易的正确性

UTXO（unspent transaction output）

4、监听比特币网络上的交易信息，验证每个交易的合法性

（1）是否有合法的签名

（2）是不是 double spending

5、决定哪些交易会被打包到区块里

缺省状态下，只要是合法交易、并且交易费符合要求，就会被打包

6、 监听别的矿工挖出来的区块，验证其合法性

（1）区块中的每个交易都要合法，包括铸币交易，比如是否篡改了出块奖励、发布的难度是否符合要求（block header 取哈希后，前面是否有足够多的 0；block header 里的难度目标域值是否设置正确）

（2）全节点是否每两周调整挖矿难度

（3）检查该区块是否在延伸最长合法链

7、挖矿

（1）决定沿着哪条链挖下去？

缺省情况下沿着最长合法链挖下去

（2）当出现等长的分叉的时候，选择哪一个分叉？

缺省情况下选择最先听到的分叉

二、轻节点

轻节点也叫做 spv client（simplified payment verification）

1、不是一直在线

2、不用保存整个区块链，只要保存每个区块的块头

大约是全节点的 1/1000

3、不用保存全部交易，只保存与自己相关的交易

4、无法检验大多数交易的合法性，只能检验与自己相关 的那些交易的合法性

5、无法检测网上发布的区块的正确性

6、可以验证挖矿的难度

因为挖矿的时候，计算哈希值只用到了块头的信息

7、只能检测哪个是最长链，不知道哪个是最长合法链

因为无法检测这条链上所包含的交易都是合法的（不过可以检测每个区块是否符合难度要求）

三、挖矿的注意事项

比特币网络中大部分节点都是轻节点，如果只想进行转账，而不进行挖矿，就不需要运行全节点、只需使用轻节点

在挖矿过程中，如果监听到别人发布了一个区块，需要重新组装区块（block header 和 交易内容都有变化）、重新开始挖

四、比特币的安全性保证

1、密码学

恶意节点拿不到私钥，就无法伪造签名，也就无法偷币

2、好节点占大部分算力

前提是系统中大部分算力的矿工是遵守协议的

五、挖矿趋势一：设备从通用到专用

1、CPU

最早是用普通的 CPU / 通用计算机 挖矿，但是这种方式无法充分利用内存

2、GPU

GPU 用于大规模的并行计算，比如深度学习大量的矩阵乘法，但也部分部件也无法充分利用（比如浮点数运算）

3、ASIC 芯片

ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路），ASIC 芯片是专门为比特币挖矿计算哈希值而设计，性价比最高

但是同一个芯片只能用于一种币的挖矿，除非两种币使用同一个 mining puzzle。有些新开发的币会使用已有币的 mining puzzle，进而吸引更多矿工，这叫做 merge mining

购买 ASIC 矿机的时机很重要，因为过时得很快，现在一般需要提前预定。不良厂商可能会在矿机生产后的黄金两个月先自己挖矿，然后才卖给用户

有些新型货币，设计的是 alternative mining puzzle，出发点是 ASIC resistance，目的是让通用计算机也能参与挖矿过程

六、挖矿趋势二：大型矿池的出现

矿池的出现是为了解决单个矿工收入不稳定的问题。矿池把矿工组织起来作为一个整体，其架构是：一个全节点驱动多个矿机

一个矿池一般有一个 pool manager（矿主），下面连着很多 minner（矿工），矿工只负责通过 ASIC 芯片计算哈希值，全节点的其他职责都由矿主承担（比如监听网络上的交易，并将其打包成一个候选区块，同时监听是否有其他节点抢先发布区块）

矿池的收益分配

矿池一般有两种组织形式：

（1）类似大型数据中心，所有矿机属于同一个机构

（2）分布式的，矿工和矿主不在同一个地方，矿工加入矿池，是通过矿池规定的通讯协议和矿主进行联系。矿主把要计算的哈希值的任务分配给矿工，矿工计算完成后把结果返回给矿主，有出块奖励时一起参与分红

通过工作量证明，按照矿工的贡献大小分配收益：降低挖矿难度（减少目标域值前0的数量），符合条件的叫一个 share（almost valid block），挖到合法区块、得到出块奖励之后，矿主按照矿工 share 的数量来分配收益

1、矿工是否能偷出块奖励？

矿工不可能挖到一个合法区块自己偷偷发布，因为矿工的任务由矿主分配，矿主负责组装区块，并把不同的 coinbase parameter 所对应的 nonce，交给不同的矿工尝试，而 coinbase transaction 里的收款人地址填的是矿主的地址

2、矿工是否能捣乱？

是可以的，比如 矿工正常提交 share，但是挖到合法区块之后就丢弃掉

3、矿池的弊端

恶意方可能吸引到足够多的矿工（不明真相的群众）加入，然后发动 51% attack：

（1）Forking attack：制造分叉，因为算力高，迟早能赶超6个区块；

（2）Boycott：制裁对象一挖出区块，就分叉，因为算力高，更容易使制裁对象的区块作废

类似于云计算中的 on demand computing，平时不用自己去维护很大的计算集群，需要用的时候可以随时召唤，对于矿池来说就是 on demand mining