专业的定制型网站建设,优化电池充电有必要开吗,目前做哪个网站致富,做旅游宣传不错的网站在比特币的P2P网络中#xff0c;有一类节点#xff0c;它们时刻不停地进行计算#xff0c;试图把新的交易打包成新的区块并附加到区块链上#xff0c;这类节点就是矿工。因为每打包一个新的区块#xff0c;打包该区块的矿工就可以获得一笔比特币作为奖励。所以#xff0c… 在比特币的P2P网络中有一类节点它们时刻不停地进行计算试图把新的交易打包成新的区块并附加到区块链上这类节点就是矿工。因为每打包一个新的区块打包该区块的矿工就可以获得一笔比特币作为奖励。所以打包新区块就被称为挖矿。 比特币的挖矿原理就是一种工作量证明机制。工作量证明POW是英文Proof of Work的缩写。 在讨论POW之前我们先思考一个问题在一个新区块中凭什么是小明得到50个币的奖励而不是小红或者小军 当小明成功地打包了一个区块后除了用户的交易小明会在第一笔交易记录里写上一笔“挖矿”奖励的交易从而给自己的地址添加50个比特币。为什么比特币的P2P网络会承认小明打包的区块并且认可小明得到的区块奖励呢 因为比特币的挖矿使用了工作量证明机制小明的区块被认可是因为他在打包区块的时候做了一定的工作而P2P网络的其他节点可以验证小明的工作量。 工作量证明
什么是工作量证明 工作量证明是指证明自己做了一定的工作量。例如在驾校学习了50个小时。而其他人可以简单地验证该工作量。例如出示驾照表示自己确实在驾校学习了一段时间 比特币的工作量证明需要归结为计算机计算也就是数学问题。如何构造一个数学问题来实现工作量证明我们来看一个简单的例子。 假设某个学校的一个班里只有一个女生叫小红其他都是男生。每个男生都想约小红看电影但是能实现愿望的只能有一个男生。 到底选哪个男生呢本着公平原则小红需要考察每个男生的诚意考察的方法是出一道数学题比如说解方程谁第一个解出这个方程谁就有资格陪小红看电影 因为解高次方程没有固定的公式需要进行大量的计算才能算出正确的结果这个计算过程就需要一定的工作量。假设小明率先计算出了结果x2.5小红可以简单地验证这个结果是否正确 可以看出解方程很困难但是验证结果却比较简单。所以一个有效的工作量证明在于计算过程非常复杂需要消耗一定的时间但是验证过程相对简单几乎可以瞬间完成。 现在出现了另一个问题如果其他人偷看了小明的答案并且抢答了怎么办 要解决这个问题也很容易小红可以按照男生的编号给不同的男生发送不同的方程方程的第一项的系数就是编号。这样每个人要解的方程都是不一样的。小明解出的x2.5对于小军来说是无效的因为小军的编号是3用小明的结果验证小军的方程是无法通过验证的。 事实上如果某个方程被验证通过了小红可以直接从方程的第一项系数得知是谁解出的方程。所以窃取别人的工作量证明的结果是没有用的。 通过工作量证明可以有效地验证每个人确实都必须花费一定时间做了计算。
在比特币网络中矿工的挖矿也是一种工作量证明但是不能用解多项式方程来实现因为解多项式方程对人来说很难计算对计算机来说非常容易可以在1秒钟以内完成。 要让计算机实现工作量证明必须找到一种工作量算法让计算机无法在短时间内算出来。这种算法就是哈希算法。 通过改变区块头部的一个nonce字段的值计算机可以计算出不同的区块哈希值 直到计算出某个特定的哈希值的时候计算结束。这个哈希和其他的哈希相比它的特点是前面有好几个0
hash256(block data, nonce0) 291656f37cdcf493c4bb7b926e46fee5c14f9b76aff28f9d00f5cca0e54f376f
hash256(block data, nonce1) f7b2c15c4de7f482edee9e8db7287a6c5def1c99354108ef33947f34d891ea8d
hash256(block data, nonce2) b6eebc5faa4c44d9f5232631f39ddf4211443d819208da110229b644d2a99e12
hash256(block data, nonce3) 00aeaaf01166a93a2217fe01021395b066dd3a81daffcd16626c308c644c5246
hash256(block data, nonce4) 26d33671119c9180594a91a2f1f0eb08bdd0b595e3724050acb68703dc99f9b5
hash256(block data, nonce5) 4e8a3dcab619a7ce5c68e8f4abdc49f98de1a71e58f0ce9a0d95e024cce7c81a
hash256(block data, nonce6) 185f634d50b17eba93b260a911ba6dbe9427b72f74f8248774930c0d8588c193
hash256(block data, nonce7) 09b19f3d32e3e5771bddc5f0e1ee3c1bac1ba4a85e7b2cc30833a120e41272ed
...
hash256(block data, nonce124709132) 00000000fba7277ef31c8ecd1f3fef071cf993485fe5eab08e4f7647f47be95c 比特币挖矿的工作量证明原理就是不断尝试计算区块的哈希直到计算出一个特定的哈希值它比难度值要小。 比特币使用的SHA-256算法可以看作对随机输入产生随机输出例如我们对字符串Hello再加上一个数字计算两次SHA-256根据数字的不同得到的哈希是完全无规律的256位随机数 hash256(Hello?) ????????????????????????????????????????????????????????????????
大约计算16次我们可以在得到的哈希中找到首位是0的哈希值因为首位是0出现的概率是1/16
hash256(Hello1) ffb7a43d629d363026b3309586233ab7ffc1054c4f56f43a92f0054870e7ddc9
hash256(Hello2) e085bf19353eb3bd1021661a17cee97181b0b369d8e16c10ffb7b01287a77173
hash256(Hello3) c5061965d37b8ed989529bf42eaf8a90c28fa00c3853c7eec586aa8b3922d404
hash256(Hello4) 42c3104987afc18677179a4a1a984dbfc77e183b414bc6efb00c43b41b213537
hash256(Hello5) 652dcd7b75d499bcdc61d0c4eda96012e3830557de01426da5b01e214b95cd7a
hash256(Hello6) 4cc0fbe28abb820085f390d66880ece06297d74d13a6ddbbab3b664582a7a582
hash256(Hello7) c3eef05b531b56e79ca38e5f46e6c04f21b0078212a1d8c3500aa38366d9786d
hash256(Hello8) cf17d3f38036206cfce464cdcb44d9ccea3f005b7059cff1322c0dd8bf398830
hash256(Hello9) 1f22981824c821d4e83246e71f207d0e49ad57755889874d43def42af693a077
hash256(Hello10) 8a1e475d67cfbcea4bcf72d1eee65f15680515f65294c68b203725a9113fa6bf
hash256(Hello11) 769987b3833f082e31476db0f645f60635fa774d2b92bf0bab00e0a539a2dede
hash256(Hello12) c2acd1bb160b1d1e66d769a403e596b174ffab9a39aa7c44d1e670feaa67ab2d
hash256(Hello13) dab8b9746f1c0bcf5750e0d878fc17940db446638a477070cf8dca8c3643618a
hash256(Hello14) 51a575773fccbb5278929c08e788c1ce87e5f44ab356b8760776fd816357f6ff
hash256(Hello15) 0442e1c38b810f5d3c022fc2820b1d7999149460b83dc680abdebc9c7bd65cae
如果我们要找出前两位是0的哈希值理论上需要计算256次因为00出现的概率是162\256实际计算44次
hash256(Hello44) 00e477f95283a544ffac7a8efc7decb887f5c073e0f3b43b3797b5dafabb49b5
如果我们要找出前3位是0的哈希值理论上需要计算163\4096次实际计算6591次
hash256(Hello6591) 0008a883dacb7094d6da1a6cefc6e7cbc13635d024ac15152c4eadba7af8d11c
如果我们要找出前4位是0的哈希值理论上需要计算164\6万5千多次实际计算6万7千多次
hash256(Hello67859) 00002e4af0b80d706ae749d22247d91d9b1c2e91547d888e5e7a91bcc0982b87
如果我们要找出前5位是0的哈希值理论上需要计算165\104万次实际计算158万次
hash256(Hello1580969) 00000ca640d95329f965bde016b866e75a3e29e1971cf55ffd1344cdb457930e如果我们要找出前6位是0的哈希值理论上需要计算166\1677万次实际计算1558万次hash256(Hello15583041) 0000009becc5cf8c9e6ba81b1968575a1d15a93112d3bd67f4546f6172ef7e76 对于给定难度的SHA-256假设我们用难度1表示必须算出首位1个0难度2表示必须算出首位两个0难度N表示必须算出首位N个0那么每增加一个难度计算量将增加16倍。 对于比特币挖矿来说就是先给定一个难度值然后不断变换nonce计算Block Hash直到找到一个比给定难度值低的Block Hash就算成功挖矿。
我们用简化的方法来说明难度例如必须计算出连续17个0开头的哈希值矿工先确定Prev HashMerkle HashTimestampbits然后不断变化nonce来计算哈希直到找出连续17个0开头的哈希值。我们可以大致推算一下17个十六进制的0相当于计算了1617次大约需要计算2.9万亿亿次。
17个0 1617 295147905179352825856 2.9万亿亿次
实际的难度是根据bits由一个公式计算出来比特币协议要求计算出的区块的哈希值比难度值要小这个区块才算有效
Difficulty 4029372980x18 0455d20x0455d2 * 28 * (0x18 - 3)1062996675042898308358455584159626326647105583398613155840x00000000000000000455d2000000000000000000000000000000000000000000
注意难度值越小说明哈希值前面的0越多计算难度越大。
比特币网络的难度值是不断变化的它的难度值保证大约每10分钟产生一个区块而难度值在每2015个区块调整一次如果区块平均生成时间小于10分钟说明全网算力增加难度值也会增加如果区块平均生成时间大于10分钟说明全网算力减少难度值也会减少。因此难度值随着全网算力的增减会动态调整。
比特币设计时本来打算每2016个区块调整一次难度也就是两周一次但是由于第一版代码的一个bug实际调整周期是2015个区块。
根据比特币每个区块的难度值和产出时间就可以推算出整个比特币网络的全网算力。
比特币网络的全网算力一直在迅速增加。目前全网算力已经超过了100EH/每秒也就是大约每秒钟计算1万亿亿次哈希 所以比特币的工作量证明被通俗地称之为挖矿。在同一时间所有矿工都在努力计算下一个区块的哈希。而挖矿难度取决于全网总算力的百分比。举个例子假设小明拥有全网总算力的百分之一那么他挖到下一个区块的可能性就是1%或者说每挖出100个区块大约有1个就是小明挖的。
由于目前全网算力超过了100EH/s而单机CPU算力不过几MGPU算力也不过1G所以单机挖矿的成功率几乎等于0。比特币挖矿已经从早期的CPU、GPU发展到专用的ASIC芯片构建的矿池挖矿。 当某个矿工成功找到特定哈希的新区块后他会立刻向全网广播该区块。其他矿工在收到新区块后会对新区块进行验证如果有效就把它添加到区块链的尾部。同时说明在本轮工作量证明的竞争中这个矿工胜出而其他矿工都失败了。失败的矿工会抛弃自己当前正在计算还没有算完的区块转而开始计算下一个区块进行下一轮工作量证明的竞争。 为什么区块可以安全广播 因为Merkle Hash锁定了该区块的所有交易而该区块的第一个coinbase交易输出地址是该矿工地址。每个矿工在挖矿时产生的区块数据都是不同的所以无法窃取别人的工作量。 比特币总量被限制为约2100万个比特币初始挖矿奖励为每个区块50个比特币以后每4年减半。
共识算法
如果两个矿工在同一时间各自找到了有效区块注意这两个区块是不同的因为coinbase交易不同所以Merkle Hash不同区块哈希也不同。但它们只要符合难度值就都是有效的。这个时候网络上的其他矿工应该接收哪个区块并添加到区块链的末尾呢 答案是都有可能。 通常矿工接收先收到的有效区块由于P2P网络广播的顺序是不确定的不同的矿工先收到的区块是有可能的不同的。这个时候我们说区块发生了分叉 在分叉的情况下 有的矿工在绿色的分叉上继续挖矿有的矿工在蓝色的分叉上继续挖矿 但是最终总有一个分叉首先挖到后续区块这个时候由于比特币网络采用最长分叉的共识算法绿色分叉胜出蓝色分叉被废弃整个网络上的所有矿工又会继续在最长的链上继续挖矿。 由于区块链虽然最终会保持数据一致但是一个交易可能被打包到一个后续被孤立的区块中。所以要确认一个交易被永久记录到区块链中需要对交易进行确认。如果后续的区块被追加到区块链上实际上就会对原有的交易进行确认因为链越长修改的难度越大。一般来说经过6个区块确认的交易几乎是不可能被修改的。 小结 比特币挖矿是一种带经济激励的工作量证明机制 工作量证明保证了修改区块链需要极高的成本从而使得区块链的不可篡改特性得到保护 比特币的网络安全实际上就是依靠强大的算力保障的。
