区块链技术与应用-08-BTC-挖矿

全节点和轻节点

之前提到，由于硬件限制，BTC系统中分为轻节点和全节点，下表阐述了全节点和轻节点的区别。

全节点	轻节点
一直在线	不是一直在线
在本地硬盘上维护完整区块链信息	不保存整个区块链，只需要保存每个区块块头
在内存中维护UTXO集合，便于快速检验交易合法性	不保存全部交易，只保存和自己有关的交易
监听比特币网络中交易内容，验证每个交易合法性	无法验证大多数交易合法性，只能检验和自己相关的交易的合法性
决定哪些交易会打包到区块中	无法检测网上发布区块正确性
监听其他矿工挖出的区块，验证其合法性	可以验证挖矿难度
挖矿：1.决定沿着哪条链挖下去。2.当出现等长分叉，选择哪一个分叉	只能检测哪个是最长链，不知道哪个是最长合法链

在比特币网络中，大多数节点都是轻节点。如果只是想进行转账操作，不需要挖矿，就无需运行一个全节点。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。
1.这样是不是有些可惜？之前花费好多资源，全部白挖了。
实际上并不可惜，之前有提及，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。
2.比特币系统如何保证安全性？
一是密码学的保证：别人没有自己的私钥，就无法伪造其合法签名，从而无法将其账户上BTC转走。
二是共识机制：保证了恶意交易不被系统承认。

挖矿设备演化

目前，挖矿设备逐渐趋于专业化，其经历了三个过程，总体趋势从通用到越来越专用。

普通CPU -> GPU ->ASIC芯片
实际上，挖矿本身就是计算，对于普通计算机来说，挖矿过程中大多数内存，硬盘，CPU中大多数部件（用到指令较少）等都是闲置的，如果用普通计算机专门用于挖矿是根本不划算的。随着挖矿难度提高，用通用计算机挖矿很快变得无利可图。
所以，挖矿设备转入第二代--GPU。但是用GPU挖矿，仍然有一定浪费（GPU为通用并行计算设计，挖矿仍有很多部件闲置。例如：浮点数运算部件，挖矿过程只使用整数操作，该部分部件根本不会用到）。

当然，目前GPU挖矿已经不划算了。所以，开始进入第三代设备：ASIC（专门为挖矿设计的芯片），这种芯片专门为挖矿设计，只能用于特定币种的挖矿。但ASIC芯片设计流片流程很长，假如BTC价格剧烈变化，前期投入很可能会血本无归。所以ASIC芯片需要提前预订。假如BTC系统中，算力突然很猛烈增加，一般是一个大的厂商生产出新的ASIC矿机。
ASIC芯片只能用于挖矿，一旦其过时，便完全作废。

ASIC芯片的出现是好事吗？
很明显，ASIC芯片并不是普通人可以参与的，一定程度上提升了挖矿的门槛，违背了比特币系统去中心化的初衷。理想状态下，所有人用CPU挖矿，这样只要有一台家用计算机便可以参与挖矿。当然，后续有一些货币便考虑到了这个问题，设计了抗ASIC芯片化的解决方案。但反过来想，如果大家都用ASIC矿机挖矿，如果有人想要颠覆BTC系统，必然导致BTC价格跳水，从而导致其所购买ASIC矿机作废，投入成本血本无归。所以，很多人反倒认为ASIC芯片出现，一定程度上并不是坏事。

大型矿池出现

挖矿另一个趋势便是大型矿池的出现。对于单个矿工来说，即使使用ASIC矿机，其算力在整个系统中仍然只占据很少一部分，即使从平均收益看有利可图，但收入很不稳定。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，为了解决这些问题，便引入了矿池的概念。

上图是矿池的架构，通常是一个全节点驱动多台矿机。矿工只需要不停的计算哈希值，而全节点其他职责由矿主来承担。ASIC芯片只能计算哈希值，不能实现全节点其他功能。此外，矿池出现解决了单个矿工收益不稳定的问题。当获得收益后，所有矿工对收益进行分配，从而保证了收益的稳定性。
所以，必须涉及如何分配的问题。如果分配不公平，挖矿的动力就会减少。
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，矿工和矿主不认识（不同机构），矿工与矿主联系，资源加入其矿池，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。
矿池利益分配方法
假使第二种情况，矿工来源于五湖四海（非同一机构），收益应该如何分配？
1.平均分配，所有人平分出块奖励
这一点有点类似我国某段历史时期，大家一起吃大锅饭，会导致某些矿工懈怠，不干活。所以，这里也需要进行按劳分配，需要一个工作量证明的方案。如何证明每个矿工所作的工作量呢？
2.降低挖矿难度（可行方案）
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60位都为0，这样挖矿会更容易挖到。当然，这个哈希是不会被区块链所承认的，我们将其成为一个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，所为矿工工作量的证明。等到某个矿工真正挖到符合要求的去区块后，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，挖到矿的可能性越大，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。

思考一：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。
思考二：如果矿工自己刚开始就自己偷偷组装一个区块，自己挖矿，这样就类似于其脱离了该矿池。因为其自己所组织的区块不会被矿主所认可，其提交的share也不会被认可，也就得不到分配的收益。
思考三：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？
这种可能是存在的，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行为。但是矿池之间本身存在竞争关系，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。

关于矿池的一些统计数据（图片源自肖老师课程视频）

图1：矿池在各个国家分布比例图

图2：2014年单个矿池算力分配比例图

这个时间，存在一个矿池算力比例占据全部算力的一半以上，当时引起了恐慌。之后，该矿池主动降低了矿池算力，避免动摇人们对比特币信心。

图3：2018年单个矿池算力分布比例图

表面看上去是安全的，但实际上某个机构如果有超过50%算力，其必然不会将其放入一个矿池中。而是将其分散隐藏，真正需要发动攻击时候再集中起来发动51%算力攻击。

由这些数据可以得知，矿池本身对BTC系统带来了较大威胁。某个恶意用户如果想发动攻击，以前需要自己达到51%算力，现在自己只需要作为矿主，只要能够吸引足够多不明真相的矿工，便可以用较低的成本实现51%算力攻击。
当然，矿主管理矿池，也需要收取一定比例（出块奖励，交易费）作为管理费用。如果恶意者想要攻击系统，会将管理费降低甚至赔本吸引足够多矿工加入。这便使得发动51%攻击变得容易起来。

51%算力矿池可以发动哪些攻击

1.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
矿工只能计算哈希值，并不知道区块包含哪些交易，区块链状况是什么。所以，这些矿工是无知的，容易被利用。
2.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的交易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。

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%算力攻击变得容易起来