肖臻公开课（八）——比特币中的挖矿

本笔记对应北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课第八课。

0.前言

在本节中，肖老师首先回顾了一下节点的定义，然后讲了讲挖矿的现有的趋势。

1.全节点和轻节点

以下介绍了一些全节点和轻节点的特点和区别：

全节点：

一直在线。
在本地硬盘上维护完整的区块链信息
在内存中维护UTXO集合，以便于快速检验交易合法性
监听比特币网络中交易内容，验证每个交易合法性
决定哪些交易会打包到区块中
监听其他矿工挖出的区块，验证其合法性

轻节点

不是一直在线
不保存整个区块链，只需要保存每隔区块块头
无法验证大多数交易合法性，只能检验和自己相关的交易合法性
无法检测网上发布的区块正确性
可以验证挖矿难度

在比特币网络中，大多数节点都是轻节点。 在挖矿过程中，如果监听到别人已经挖出区块延申了最长合法链，此时应该立刻放弃当前区块，在本地重新组装一个指向最后这个新合法区块的候选区块，重新开始挖矿。

直接丢弃当前区块会很可惜吗？

之前文章中提及，挖矿本身具有无记忆性，前面无论挖多久，对后续继续挖矿没有影响。

比特币系统如何保证安全性？

1.密码学的保证。没有私钥，就无法伪造其合法签名，从而无法随意转移别人账户上的钱。

2.共识机保证。保证恶意交易不被系统承认。

2.挖矿产生的两个趋势

1.设备演变趋势

目前，挖矿设备逐渐趋于专业化，其经历了三个过程。

普通CPU -> GPU ->ASIC芯片（挖矿专用矿机）

2.大型矿池的出现

由于比特币挖矿难度太高，常常一些算力不够的人，可能要1到2年才能获得一次出块奖励，此外，单个矿工除挖矿还要承担全节点其他责任，造成了算力的消耗，因此为了解决这个问题，便引入了矿池的概念。

矿池的架构，通常是一个全节点驱动多台矿机。 矿工要做的是不断的计算哈希值，而全节点其他职责由矿主来承担，这就解决的部分算力消耗的问题。而当获得收益后，所有矿工对收益进行分配，保证了收益的稳定性，这又解决了收入不稳定的问题。

分配方式：

矿池一般具有两种组织形式：

1.类似大型数据中心（同一机构），集中成千上万矿机进行哈希计算。

2.分布式。矿工与矿主不认识(不同机构)，矿工与矿主联系，自愿加入其矿池，矿主分配任务，矿工进行计算，获得收益后整个矿池中所有矿工进行利益分配。

第一种类似一个中心化机构，机构内部就可以协商后解决，第二种就需要一些策略来应对了。老师讲了一种思路：降低挖矿难度，再根据工作量进行分配。

假设原本挖矿难度要求，计算所得126位的哈希值前70位都必须为0，现在降低要求，只需要前50位为0，这样挖矿会更容易。当然，这个哈希可能不会被区块链所承认的，我们将其称为一个share，或almost valid share。矿工每挖到一个share，将其提交给矿主，矿主对其进行记录，作为矿工工作量的证明。等到某个矿工真正挖到符合要求的的区块后，根据所有矿工提交的share数量进行分配。

因为每个矿工尝试的nonce越多，所能得到的share也会越多，所以这种方案作为工作量证明方案是可行的。

老师提供了以下几个思考问题：

有没有可能，某个矿工平时正常提交share，但真正挖到区块后不提交给矿主而是自己偷偷发布出去，从而避免他人分走挖矿所得到的出块奖励？

事实上，这种情况是不可能的。因为每个矿工挖矿任务是矿主分配的。矿主组装区块，交给矿工计算，而区块中铸币交易的收款人地址是矿主，如果矿工修改该地址，计算的nonce值也会作废。

有没有可能矿工捣乱？平时提交share，等挖到后扔掉区块，不提交？

这种可能是有的，如果矿工本身仅仅想捣乱，是可以这么做的。但扔掉区块后，对其本身来说，也没有相应的奖励获得，看似是损人不利己的情况。但是，矿池之间存在竞争关系。有可能为了打击竞争对手，会派出矿机加入竞争对手矿池挖矿，从而起到搞破坏的作用。即只参与其他矿工挖矿分红，自己挖到的区块却丢掉不给他人分。

3.如果有矿池集中了51%算力，可以做什么？

分叉攻击：对已经经过6次确认的交易分叉，利用51%算力将交易记录回滚。
封锁交易：假如攻击者不喜欢某个账户A，不想让A的交易上区块链，在监听到有其他人将A的交易发布到区块链上时，立刻发动分叉攻击，使A所在链无法成为”最长合法链“。这样，便实现了对A账户的封锁。
盗币？：这个是不可能的，因为其并没有他人账户私钥。如果依仗算力强，强行将没有签名的转账发布到区块链，正常节点不会认为其合法，这样，即使这条链再长，其他人也不会认为其是最长合法链。