07挖矿难度

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Q: BTC系统中如何调整挖矿的难度

• 不断找nonce，使得\(H(\mbox{block header}) \leq \mbox{target}\)
• BTC期望出块时间稳定在10min

比特币每2016个区块，会做一次难度调整，约14天

• 新target = 当前target * 实际2016个区块出块时间 / 理论2016个区块出块时间(2周)

挖矿

全节点：

• 一直在线 & 在本地硬盘上维护完整区块链信息
• 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
• 挖矿：
  • 决定沿着哪条链挖下去 → 最长合法链
  • 当出现等长分叉，选择哪一个分叉 → 最先被监听到的

轻节点：

• 不是一直在线; 不用保存整个区块链，只保存每个区块的块头
• 不用保存全部交易，只保存与自己相关的交易
• 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
• 无法检测网上发布的区块的正确性
• 可以验证挖矿的难度
• 只能检测哪个是最长链，不知道哪个是最长合法链

比特币系统如何安全性？

1. 密码学的保证：别人没有自己的私钥，则无法伪造其合法签名，故无法将其账户上BTC转走（前提：系统中大多数算力掌握在好人手中）
2. 共识机制：保证了恶意交易不被系统承认

挖矿设备

普通CPU → GPU → ASIC芯片Application-Specific Integrated Circuit（挖矿专用矿机）

• ASIC芯片并不是普通人可以参与的，大大提升了挖矿的门槛（普通人别想了...）

矿池

对于单个矿工来说，即使用了ASIC，其算力在整个系统中仍只占据很少一部分，收入很不稳定。还要承担全节点其他责任，造成了算力的消耗

• 矿池的出现（把矿工组织起来，作为一个整体）
  • 矿工只需要不停计算哈希值，而全节点其他职责由矿主(pool manager)来承担

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

若矿工来自非同一机构(五湖四海)，收益如何分配？

• Idea1：平均分配，所有人平分出块奖励（按照工作量大小，如何衡量工作量？）
• Idea2：降低挖矿难度（可行方案）
  • 假设挖矿难度需126位的hash前70位=0，现在只需前60位=0，这样会更容易挖到
  • 但这个哈希是不会被区块链所承认的，将其称为一个share(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

为何可行?: 因每个矿工尝试的nonce越多，挖到矿的可能性越大，所能得到的share也会越多，故可作为工作量的衡量

• Largest Mining Pools
• 矿池份额统计

若51%算力矿池可以发动哪些攻击?

1. forking attack(分叉攻击)
2. Boycott封锁交易： 假如攻击者不喜欢账户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"。便实现了对A账户的封锁

矿池出现的优劣：

• 优点：解决了矿工收入不稳定的问题，减轻了矿工的负担
• 缺点：威胁到了区块链系统的安全，使得51%攻击变得容易

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