工作证明与挖矿

工作证明

工作证明(Proof Of Work,简称POW),顾名思义,即工作量的证明。通常来说只能从结果证明,因为监测工作过程通常是繁琐与低效的。

比特币在Block的生成过程中使用了POW机制,一个符合要求的Block HashN个前导零构成,零的个数取决于网络的难度值。要得到合理的Block Hash需要经过大量尝试计算,计算时间取决于机器的哈希运算速度。当某个节点提供出一个合理的Block Hash值,说明该节点确实经过了大量的尝试计算,当然,并不能得出计算次数的绝对值,因为寻找合理hash是一个概率事件。当节点拥有占全网n%的算力时,该节点即有n/100的概率找到Block Hash

工作证明机制看似很神秘,其实在社会中的应用非常广泛。例如,毕业证、学位证等证书,就是工作证明,拥有证书即表明你在过去投入了学习与工作。生活大部分事情都是通过结果来判断的。

 

挖矿

挖矿即不断接入新的Block延续Block Chain的过程。

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挖矿为整个系统的运转提供原动力,是比特币的发动机,没有挖矿就没有比特币。挖矿有三个重要功能: 

 

1.发行新的货币(总量达到之前)

2.维系货币的支付功能

3.通过算力保障系统安全

 

金矿消耗资源将黄金注入流通经济,比特币通过挖矿完成相同的事情,只不过消耗的是CPU时间与电力。当然,比特币的挖矿意义远大于此。

 

Block Hash算法

Block头部信息的构成:

 

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下面采用高度为125552block数据为例,演示block hash的计算过程:

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该计算过程简单明了:首先将数个字段合并成一块数据,然后对这块数据进行双SHA256运算。

 

产量调节

Block的产量为大约每两周2016个,即每10分钟一块。该规则在每个节点的代码里都固定了。

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但由于实际算力总是不断变化的(目前一直是快速上升的),所以需根据最近2016个块的耗费时间来调整难度值,维持每10分钟一个block的频率.

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Block字段详解

·Version,版本号,很少变动,一般用于软件全网升级时做标识

·hashPrevBlock,前向Block Hash值,该字段强制多个Block之间形成链接

·hashMerkleRoot,交易Hash树的根节点Hash值,起校验作用,保障Block在网络传输过程中的数据一致性,有新交易加入即发生变化

·TimeUnix时间戳,每秒自增一,标记Block的生成时间,同时为block hash探寻引入一个频繁的变动因子

·Bits,可以推算出难度值,用于验证block hash难度是否达标

·Nonce,随机数,在上面数个字段都固定的情况下,不停地更换随机数来探寻

 

最为关键的字段是hashPrevBlock,该字段使得Block之间链接起来,形成一个巨大的链条Block本是稀松平常的数据结构,但以链式结构组织起来后却使得它们具有非常深远的意义:

 

1.形成分支博弈,使得算力总是在主分支上角逐

2.算力攻击的概率难度呈指数上升(泊松分布)

 

每个block都必须指向前一个block,否则无法验证通过。追溯至源头,便是高度为零的创世纪块(Genesis Block),这里是Block Chain的起点,其前向block hash为零,或者说为空。

 

block诞生过程

 

下面是一个简单的步骤描述,实际矿池运作会有区别,复杂一些:

 

1.节点监听全网交易,通过验证的交易进入节点的内存池(Tx Mem Pool),并更新交易数据的Merkle Hash

2.更新时间戳

3.尝试不同的随机数(Nonce),进行hash计算

4.重复该过程至找到合理的hash

5.打包block:先装入block meta信息,然后是交易数据

6.对外部广播出新block

7.其他节点验证通过后,链接至Block Chain,主链高度加一,然后切换至新block后面挖矿

 

由于hashPrevBlock字段的存在,使得大家总是在最新的block后面开挖,稍后会分析原因。

 

主链分叉

 

block hash算法我们知道,合理的block并不是唯一的,同一高度存在多个block的可能性。那么,当同一个高度出现多个时,主链即出现分叉(Fork)。遇到分叉时,网络会根据下列原则选举出Best Chain

 

1.不同高度的分支,总是接受最高(即最长)的那条分支

2.相同高度的,接受难度最大的

3.高度相同且难度一致的,接受时间最早的

4.若所有均相同,则按照从网络接受的顺序

5.等待Block Chain高度增一,则重新选择Best Chain

blockchain

按照这个规则运作的节点,称为诚实节点(Honest Nodes)。节点可以诚实也可以不诚实。

 

分支博弈

我们假设所有的节点:

 

1.都是理性的,追求收益最大化

2.都是不诚实的,且不惜任何手段获取利益

 

所有节点均独自挖矿不理会其他节点,并将所得收益放入自己口袋,现象就是一个节点挖一个分支。由于机器的配置总是有差别的,那么算力最强的节点挖得的分支必然是最长的,如果一个节点的分支不是最长的,意味其收益存在不被认可的风险(即零收益)。为了降低、逃避此风险,一些节点肯定会联合起来一起挖某个分支,试图成为最长的分支或保持最长分支优势。

 

一旦出现有少量的节点联合,那么其他节点必然会效仿,否则他们收益为零的风险会更大。于是,分支迅速合并汇集,所有节点都会选择算力更强的分支,只有这样才能保持收益风险最小。最终,只会存在一个这样的分支,就是主干分支(Best/Main Chain)

 

对于不诚实节点来说,结局是无奈的:能且只能加入主干挖矿。不加入即意味被抛弃,零收益;加入就是老实干活,按占比分成。

 

Hash Dance

 

Block hash的计算是随机概率事件,当有节点广播出难度更高的block后,大家便跑到那个分支。在比特币系统运行过程中,算力经常在分支间跳来跳去,此现象称为Hash Dance。一般情况下,分支的高度为1~2,没有大的故障很难出现高于2的分支。

 

Hash Dance起名源于Google Dance.

 

算力攻击的概率

 

算力攻击是一个概率问题,这里作简单叙述:

 

·p = 诚实节点挖出block概率

·q = 攻击者挖出block概率,q = 1 – p

·qz = 攻击者从zblock追上的概率

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我们假设p>q,否则攻击者掌握了一半以上的算力,那么概率上永远是赢的。该事件(攻击者胜出)的概率是固定,且N次事件之间是相互独立的,那么这一系列随机过程符合泊松分布(Poisson Distribution)Z个块时,攻击者胜出的期望为lambda

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攻击者在攻击时已经偷偷的计算了k个块,那么这k个块概率符合泊松分布(下图左侧部分),若k<=z,那么追赶上后续z-k个块的概率为(q/p)z-k,即:

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展开为如下形式:

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计算该过程的C语言代码如下:

我们选取几个值,结果如下:

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可以看到,由于block的链式形式,随着块数的上升,攻击者赢得的概率呈指数下降。这是很多应用等待六个甚至六个以上确认的原因,一旦超过N个确认,攻击者得逞的可能微乎其微,概率值快速趋近零。

当攻击者的算力超过50%时,便可以控制Block Chain,俗称51%攻击。

 

算力攻击的危害

攻击者算出block后,block&Txs必须能够通过验证,否则其他节点都会拒掉,攻击便无意义。攻击者无法做出下列行为:

 

1.偷盗他人的币。消费某个地址的币时,需要对应的ECDSA私钥签名,而私钥是无法破解的。

2.凭空制造比特币。每个block奖励的币值是统一的规则,篡改奖励币值会导致其他节点会拒绝该block

 

唯一的益处是可以选择性的收录进入block的交易,对自己的币进行多重消费(Double Spending)

 

过程是这样的:假设现在block高度为100,攻击者给商户发了一个交易10BTC,记作交易A,通常这笔交易会被收录进高度101block中,当商户在101块中看到这笔交易后,就把货物给了攻击者。此时,攻击者便开始构造另一个高度为101block,但用交易B替换了交易A,交易B中的输入是同一笔,使得发给商户的那笔钱发给他自己。同时,攻击者需要努力计算block,使得他的分支能够赶上主分支,并合并(Merge)被大家接受,一旦接受,便成功地完成了一次Double Spending

 

攻击难度呈指数上升,所以成功的Double Spending通常是一个极小概率事件。

 

算力巨头

全网算力的上升对比特币是极其有利的,这是毫无疑问的。但目前大矿池与矿业巨头使得算力高度集中化,这与中本聪所设想的一CPU一票(one-CPU-one-vote)的分散局面背道而驰,或许是他未曾预料的。

 

挖矿是一项专业劳动,最后必然会交给最专业的人或团队,因为这样才能实现资源配置最优,效率最高。普通投资人通过购买算力巨头的股票:1. 完成投资;2. 分享算力红利。看似中心化的背后其实依然是分散的:

 

1.矿业公司的背后是无数分散的投资人

2.矿池背后是无数分散的个体算力

 

既得利益使得算力巨头倾向于维护系统而不是破坏,因其收益均建立在比特币系统之上,既得利益者断然不会搬石头砸自己脚。甚至很多巨头在达到一定算力占比后会主动控制算力增长,使得低于某阈值内。


后记

本篇几乎都在讲挖矿,因为挖矿对于比特币系统来说实在是太重要了。需要了解:1. block是基于工作量证明的。2. block以链式结构存在时的深远意义。