区块链研究 | 大家都在谈论比特币挖矿，究竟什么是挖矿？

雷锋网AI财经评论出版社：本文作者为中国信息通信研究院（工信部研究院）专家敖萌博士。雷锋网独家专文由雷锋网与信息通信技术研究院联合发布。未来，敖猛博士原创区块链系列文章将继续发表。雷锋网及信息通信研究院相关平台将同步更新，敬请期待！

比特币最迷人的地方就是挖矿。为什么采矿如此迷人？因为挖矿可以获得比特币。当我写这篇文章的时候，比特币的价格是 3900 美元，如果你能挖出一个区块，你可以赚取 48750 美元的挖矿收入和大约 6000 美元的交易费用，这不是很神奇吗？

那么究竟什么是挖矿呢？矿工如何通过挖矿获得比特币？这需要从比特币区块链系统采用的PoW（工作量证明）共识机制说起。

PoW（工作证明）共识机制

先讲一个故事：

有一个村子，村子里的很多事情都需要大家一起做决定。比如有一天，村长需要所有的村民来决定今天中午村里的大食堂是包饺子还是卷面。通常，我们能想到的方式就是投票——每个村民投一票，少数服从多数。但是有些村民不想在食堂吃饭，所以他可能会把票给别人，这可能会导致不公平，而大多数在食堂吃饭的人可能无法实现自己的愿望。

于是村长改变了做法。10点50分，他用扩音器向所有村民播报：“中午在食堂包饺子还是做面条，大家选吧，想来食堂吃饭就到食堂门口推一下。”一、巨石11点整被推到城门东，中午吃饺子；推到城门西，中午吃面。

所以想去食堂吃饭的人，就去推石头。贡献多的人终于实现了自己的愿望，贡献少的人也心甘情愿，因为村里一直都是这样的规矩。

这个故事是关于一种实现人群共识的方式，我们可以称之为“工作量证明”。用付出的努力来证明你愿意选择。

在本系列的第一篇文章中，我们讨论了区块链系统保持每个人的账本一致的能力。这种保持所有节点数据一致的机制，我们称之为共识机制。可以使用不同的共识算法来实现不同的性能共识效果，最终目的是保持数据的一致性。

记录工作证明，不可篡改

我们已经知道，在比特币系统中，记录交易是系统工作的基本方式。在比特币区块链系统中比特币挖完后谁记账，区块是记录交易的最基本容器。目前比特币（BTC）的区块大小限制是1MB，（前几天刚刚诞生了一种新的虚拟货币，叫做比特币现金-BCC，区块大小限制目前是8MB）。由于区块大小是有限的，因此每个区块可以容纳的交易数量也有限制。目前，比特币系统规定平均每10分钟产生一个区块。因此，矿工的工作方式本质上是在 10 分钟内收集互联网上产生的所有交易，然后将这些交易填充到一个区块中。这个块大致如下：

注意第一项。在任何一个区块中，第一项都没有转账地址，这就是所谓的CoinBase（挖矿交易）。没有人向矿工支付这笔钱，矿工只是写他们应该得到 12.5 个比特币。所有节点都批准矿工写这个，所以矿工得到了挖矿收益。

不同矿工填块的时候，数据肯定不一样，因为每个矿工的第一项肯定不一样，矿工只会把挖矿收益转到自己的地址。所以矿工 Michael 的 CoinBase 是“Michael got 12.5 个比特币”，矿工 Nancy 的 CoinBase 是“Nancy got 12.5 个比特币”。

每个矿工填写他收集的交易和他应该得到的收入。那么，谁的战绩会被大家认可呢？比特币采用工作量证明机制，允许矿工相互竞争以解决数学问题。谁先解决它，谁就会有一个被所有人认可的块。就像开篇故事中的村庄一样，每个矿工都在用力推着那块巨石，一旦石头压倒了自己的记录页面，他就会大喊：“我的工作量证明是成功的。来吧，来看看！” 所有的矿工都过来把账户的页面抄下来，贴在自己的账本背面，然后开始新的记账流程。周而复始，账本逐页增加，账本越来越厚。

当“中本聪”决定采用工作量证明机制时，出发点是防止系统受到攻击。“中本聪”认为，如果攻击者想要弄乱账本，他需要足够的计算能力。也就是说，他比大多数摇滚推手更强大。这样一来，他需要付出巨大的成本，但回报的收益不足以抵消成本，因此攻击者没有经济动机来攻击比特币系统。

与推石头的方式不同的是，在比特币中，每个人通过将结果累加来解决一个数学问题。并不是算力强的人每次都会赢，因为有些人可能运气好比特币挖完后谁记账，突然就搜索到了那个答案。而算力强的人这一次可能就没那么幸运了，他们已经累了很多次都没有遇到解决办法。但是，从概率的角度来看，得到答案的次数与其算力在整个比特币网络中的比例是一致的。也就是说，如果一个矿工拥有全网30%的算力，那么基本上在1000分钟内（100个区块产生），30个区块就是他找到的答案，他得到了30%的挖矿收益。

不过现在比特币的价格越来越高，推石的人已经不满足于自己推，而是把家里的大骡马都送去干活了。在“中本聪”的原始设计中，一个 CPU 拥有一票，通过计算能力来决定哪个矿工的账户将成为最终账户。随着比特币价格的上涨，GPU挖矿开始出现。后来，人们对GPU的速度不满意，开始制造挖矿专用芯片。专用芯片计算比特币问题的能力是普通 CPU 的数万倍。因此，比特币不再是“一个 CPU，一票”，这也背离了最初的“中本聪”设计。

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