什么是比特币挖矿？ | 了解关于BTC的一切

比特币的新铸造过程在某些方面类似于从地球中提取贵金属的过程。因此，这个过程被称为“比特币挖矿”。

正如比特币白皮书中所述：

不断增加固定数量的新币类似于金矿工人耗费资源将黄金加入流通。在我们的案例中，耗费的是CPU时间和电力。

比特币挖矿的简化概述如下：

1. 人们通过应用计算能力参与一种称为“工作量证明”（PoW）的过程，以竞争获得比特币奖励。之所以这样命名，是因为只有那些证明自己已经投入了足够资源（工作）的参与者（矿工）才有机会赢得奖励。
2. 大约每10分钟，奖励会分发给一个胜出的“矿工”。
3. 奖励有两部分 -> (1) “区块奖励”，即新铸造的比特币。在写作本文时，区块奖励设定为6.25比特币（但从2024年5月初开始，奖励将减半，之后每四年再减半，依此类推）。(2) 当前区块内所有交易相关的费用。希望进行交易的终端用户必须为拟议的交易附加一笔费用，以激励矿工将其包含在下一个区块中。
4. 为什么需要比特币挖矿？
5. 比特币挖矿是网络确定账本当前状态共识方法的一个关键组成部分。它对加强网络防御攻击也至关重要。换句话说，比特币挖矿对于确保人们安全进行比特币交易至关中心。要理解其原因，让我们更详细地看看比特币是如何工作的。
6. 比特币网络是一个全球分布的公共账本，由一个巨大的时间戳交易列表组成。例如，一个账本条目可能表明A在周一上午10点向B发送了1个比特币。账本大约每10分钟更新一次，通过添加包含新交易列表的“区块”来实现。这个账本由成为“节点”的数千名参与者自愿存储，任何人都可以看到比特币所有权的当前状态和完整历史记录。
7. 根据设计，没有中央权威决定哪些交易应该被加入到新的区块中。相反，账本的状态（又称为“真相”）是节点根据比特币协议集体协调而达成的。这种去中心化赋予了比特币一些最有趣的属性——即，抗审查性和无需许可性。
8. 大多数节点只是存储账本的历史，根据协议的规则验证新交易的真实性，并将新的交易区块传递给其他节点。通过这种方式，网络的状态在全球传播，直到所有节点拥有相同的信息。那时，关于谁拥有什么的新“真相”就产生了。

重要的是，一个称为矿工的小节点群体竞争成为实际创建每个新区块的人。关于谁拥有什么的更新真相始于一个赢得创建新区块权利的矿工。赢得创建新区块的权利是通过被称为“工作证明”的竞赛决定的。

什么是工作证明，为什么它是必要的？

工作证明（PoW）挖矿是一种证明网络参与者在游戏中有所投入（skin in the game）的方式。它通过迫使参与者证明他们已经完成了某些消耗能源（工作）的任意计算。消耗能源的要求很重要，因为它使得恶意行为者参与变得极其昂贵。换句话说，它确保攻击比特币是一个赔钱的（且成本非常高的）前景，使得这种攻击极不可能发生。

从博弈论的角度来看，PoW挖矿提供了几个优势：

1. 激励诚实行为：矿工被激励遵守规则并正确验证交易。如果他们试图欺骗系统，他们就会冒着失去潜在区块奖励和在挖矿过程中投入的能源/资源的风险。
2. 通过成本确保安全：添加区块所需的努力（计算工作）使得区块链对攻击安全。任何试图改变过去交易（例如，进行51%攻击）的企图都将需要巨大的计算能力，因此使这类攻击变得昂贵且不实际。
3. 公平性：挖掘区块并获得奖励的概率与矿工部署的计算资源量成正比。这提供了一种公平的机制来分配新币，也分配了添加新区块的决策权力。

4. 抵抗Sybil攻击：PoW挖矿由于每个身份挖矿的高成本，使得Sybil攻击（一个实体创建许多虚假身份来影响网络）变得不可行。

5. 

比特币挖矿是如何工作的？

该过程在**比特币白皮书**中被总结为：

1. 新交易向所有节点广播。

2. 每个节点将新交易收集到一个区块中。

3. 每个节点致力于为其区块寻找一个困难的工作证明。

4. 当一个节点找到工作证明时，它将区块广播给所有节点。

5. 如果区块中的所有交易都是有效的且未被消费，节点才接受该区块。

6. 节点通过在链中创建下一个区块来表示对区块的接受，使用已接受区块的哈希作为前一个哈希。

让我们更详细地分解这个过程。

首先，矿工是提议更新账本的人，而只有成功完成工作证明（PoW）的矿工才被允许添加新区块。这被编码到比特币协议中。

矿工可以自由选择从节点广播到网络的潜在交易池中的有效交易。这些交易被收集到“内存池”中。理性和诚实的矿工基于附加的费用选择内存池中的交易，优化高费用的交易。这导致了费用市场的产生，有助于确保有限的区块空间被公平和高效地使用。

首个完成PoW的矿工，将他提议的新区块广播给更广泛的节点网络，然后这些节点检查以确保区块遵循协议的规则。这里的关键规则是（1）区块中的所有交易都是有效的（即没有双重支付），以及（2）新区块适当地引用了前一个区块，并作为链中的下一个编号（即新区块构成了最长链中的最新区块）。如果是这样，节点将其发送给其他节点，完成同样的过程。通过这种方式，新区块在网络中传播，直到广泛被接受为“真相”。

然而，经常会发生这样的情况：超过一个矿工几乎同时完成PoW并同时将她的新区块广播到网络。此外，由于网络延迟和地理分隔，节点可能会在稍微不同的时间接收到新提议的区块。

重要的是，一个矿工新提议的区块可能与另一个区块略有不同！这是因为，正如前面提到的，矿工是选择包括在区块中的交易的人——尽管他们倾向于优化盈利性，但位置和其他因素引入了变化。当两个矿工发送出不同的新区块时，竞争版本的“真相”开始在网络中传播。网络最终通过选择增长速度更快的链来收敛于“正确”的真相版本。

让我们分解最后一部分。假设有两个竞争的链。假设75%的矿工选择了版本A（因为这是他们首先看到的版本）并开始其下一个区块的PoW，建立在版本A之上。另外25%的矿工选择了版本B（同样，因为那是他们首先遇到的版本）并开始在那个版本之上进行同样的过程。统计上，正在版本A上工作的矿工很可能会首先完成工作证明，将新版本广播到网络。由于节点总是选择最长的链，版本A将很快在网络中占据主导地位。实际上，版本B增长得更快的概率随着每一个额外的区块的添加而指数级减小，以至于在添加了六个区块之后，它几乎不可能成为现实。因此，对于大多数参与者来说，已经在六个区块中确认的交易被认为是铁板钉钉的。那么，在比特币中，交易的“最终性”就是六个区块，或大约1小时。

需要注意的是，没有成为最长链的一部分的区块（在我们上面的例子中是版本B）被称为孤块。据估计，这样的区块每天产生约1到3次。包含在孤块中的交易不会丢失。那是因为，如果它们还没有被包含在最终成为最长链的版本中，它们将被添加到最长链的下一个区块中。

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什么是比特币的哈希算法？

比特币使用一种被称为安全哈希算法2（SHA2）的军用级加密算法。比特币矿工通过不断运行哈希算法来寻找一个随机数，一旦找到这个数，他们就会获得比特币（BTC）作为奖励。这个过程类似于买彩票，买的彩票越多，中奖机会就越大。通过向哈希算法投入更多的计算能力，矿工实际上就是在购买更多的“彩票”。

比特币挖矿中的难度调整是什么，为什么需要它？

工作量证明算法的挖矿难度每2,016个区块自动调整一次，大约每两周一次。调整的目标是保持新区块的挖掘时间恒定在10分钟一个区块。

难度调整会考虑到被用于哈希算法的全部计算能力或“哈希能力”总量。随着计算能力的增加，难度也会提升，使得对所有矿工而言，挖矿变得更加困难。如果计算能力减少，难度就会降低，挖矿变得更容易。

需要注意的是，难度调整系统使得比特币挖矿与贵金属的开采有很大的不同。例如，如果黄金价格上涨，会吸引更多的矿工进入市场。更多的黄金矿工的加入最终会导致生产出更多的黄金。根据供求法则，这将最终降低黄金的市场价格。然而，在比特币的情况下，产生的比特币数量（铸造）是由比特币协议预先决定的。这意味着它不会受到矿工数量和算力的影响。因此，无论多少挖掘能力被用于算法，产生的比特币数量都不会受到影响。