区块链学习第七期
挖矿日常理解
[toc] ---挖矿初识
挖矿原理简介
比特币如此神奇，很多人都想知道除了直接用钱购买之外，还有没有其他方法可以获得比特币？答案是肯定的。比特币存在于互联网数字空间中，隐藏在特定算法里，所以只要利用联网的计算机就能挖掘出来。大家口中所说的“挖矿”就是通过计算机设备运算挖掘比特币，那些专门通过“挖矿”寻找比特币的人就是比特币矿工。
从表面上看，“挖矿”是一个非常简单的过程，只需要利用计算机下载比特币挖矿工具，然后让设备持续运行就能得到比特币，然后确定账户信息取得对比特币的拥有权。但是，比特币在设计之初已经制定好了规则，产生新比特币的算法难度会随着比特币产生速度的变化而变化。也就是说，矿工挖掘比特币的速度越快，算法难度就会越大；反之，难度越小。
根据比特币挖矿原理可知，计算机的运算能力是挖掘比特币的关键。对于大多数矿工来说，只要打开挖矿客户端，然后挂机就可以坐等比特币的产生。目前，常用的“挖矿”工具有UfasoftCoin、Guiminer等。由于越来越多的人涌入“挖矿”行列中，比特币的产生也随着算力的增大而变得缓慢。
影响比特币收益的四大因素
算法因素
算法因素是比特币本身的特性，不会受到外部因素影响，但是会影响外部因素，包括算法难度调整周期、每区块收益等。
矿机硬件
矿机硬件是矿工可以通过人力施加影响，从而提高收益的一个因素。一般来说，硬件因素在短期内几乎没有什么变化，而且可预见性、可操作性较高。例如，矿机速度、功耗、成本等，这些因素主要受上游芯片厂商、矿机组装厂商的影响。
矿场部署
矿场指的是比特币矿工团队集体工作的环境。矿场部署是矿场和旷工可以通过人力施加影响，从而提高收益的另一个因素，同样受到上游芯片厂商、矿
机组装厂商的影响，可预见性较高。矿场部署因素包括矿机部署时间、矿场电 费、运行保障能力等。
市场因素
比起其他三大因素，市场因素的可预见性较低，但是对挖矿收益的影响非常大。比如，比特币的价格、全网算力增长率、难度增长率等。比特币的价格在短期内波动较小，但是在中长期内何时会出现暴涨暴跌是难以预测的。全网算力和难度增长率在短期内变化幅度会较大，中长期则是会增长趋势。
在影响挖矿收益的四大因素中，算法因素是比特币自身特性，并制约着其他三种因素；矿机硬件的性能和功耗将随着技术升级不断优化；矿场部署的当前趋势是集中化和规模化，通过总量来降低挖矿成本，提升挖矿收益；市场因素受到宏观大环境影响，风险和机遇同时存在。
矿池
为什么要有矿池
激烈竞争的环境下，单个矿工（也被称为“个体矿工”）独立工作基本没有机会赢得竞争。他们通过挖矿弥补电力和硬件成本的可能性非常低，基本上就等同于参加一场赌博或者买彩票。即使最快的消费型ASIC挖矿系统，也无法赶上那些安装了成千上万芯片的商业系统，那些系统通常建在水电站附近的巨大机房里。矿工们一般联合起来组成矿池，他们将算力集中起来，而奖励也在成员间共享。通过加入矿池，矿工可以得到全部奖励的一小部分，但是这种方式削减了不确定性，矿工们几乎每天都能分到奖励。
假定一个矿工购买了一台矿机，其处理能力能达到6000G哈希每秒（GH/s），或者6TH/s。在2014年的8月份，这台设备的成本大概是1万美元。设备运行时的功率为3kW，每天72度（kWH）耗电，每天平均电力成本是7～8美元。在当前的比特币挖矿难度下，如果矿工单干的话，大概每155天或者5个月可以找到1个新区块。如果矿工在这个时间内真的找到了1个区块，那么他将得到25比特币的奖励，每个比特币兑换价格大概是600美元，总的奖励是1.5万美元。这笔钱扣除硬件和电力的全部成本后，大概还有3000美元的收益。但是，5个月内能否找到一个区块，完全凭矿工的运气。他可能5个月内找到2个区块，获得更多的收益；也有可能10个月也找不到1个区块，导致财务损失。更糟糕的是，比特币工作量证明的难度很可能在这段时间内已经显著提高了，以当前哈希算力的增长速度，矿工最多在6个月时间内必须达到收支平衡，否则硬件就将过时，需要被更强的挖矿硬件取代。如果矿工加入一个矿池，每周就能赚到500～700美元，而不用等待5个月一次的“横财”。矿池定期派发的奖励帮他摊销了硬件和电力成本，不再需要承担巨大的风险。硬件设备仍然会在6～9个月后过时，风险依然很高，但是至少在这个时间内的回报是定期发放，相对可靠的。
矿池的运行机制
矿池通过专门的矿池协议，将成百上千的矿工集合在一起。个体矿工在矿池中创建账号后，通过设置把挖矿设备与矿池服务器相连。在挖矿的过程中，挖矿硬件保持与矿池服务器相连，与其他矿工同时进行挖矿工作。这样，矿池中的矿工共享挖矿的努力，也共享收获的奖励。
P2P矿池介绍
P2P矿池通过将矿池服务器的功能去中心化，实现了一个平行的类似区块链的系统，叫作份额链（share chain）。份额链是一条相比比特币区块链具有较低难度的区块链。份额链允许矿工在去中心化的矿池中协同工作，它们以每30秒一个份额区块的速度在份额链上进行份额挖矿。份额链上的每个区块记录着参与贡献的矿工的奖励份额，并且继承了之前份额区块上的份额记录。当某个份额区块同时达到比特币网络的难度目标时，这个区块就会被传播出去，并入比特币区块链，而区块奖励则根据每个矿工之前对份额的贡献度进行发放。本质上，份额链采用一种类似比特币区块链的去中心化共识机制，让所有矿池中的矿工都能跟踪所有贡献份额的记录，而不像矿池服务器一样，由一个中心节点保存矿工的份额和奖励记录。
P2P矿池挖矿比托管矿池挖矿复杂得多，它要求矿工运行一台具有足够硬盘空间、内存和网络带宽的专用电脑，以支持完全节点和P2P矿池节点软件。P2P矿池矿工将他们的挖矿设备与本地的P2P矿池节点进行连接，P2P矿池节点通过向挖矿设备发送区块模板的方式，模拟矿池服务器的功能。在P2P矿池中，矿工构建他们自己的候选区块，归集交易，其行为与个体矿工很类似，但是P2P矿工是在份额链上合作挖矿。P2P矿池整合了个体矿工和矿池两者的优势，能够让个体矿工在支出上具有更加细粒度的优势，在控制层面，它不需要像托管矿池那样将控制权交给矿池管理人。
当前，矿池中集中的算力已接近可发起51%攻击的能力，出于对此的担忧，P2P矿池的矿工数量有了显著增长。P2P矿池协议进一步的发展有望移除对完全节点的依赖，从而使这种去中心化的挖矿更加易用。
为什么要有P2P矿池
托管矿池有可能引发矿池管理员的欺诈行为，他可能将矿池的算力引导至双重支付交易或者无效区块（参见“共识攻击”）。此外，中心化的矿池服务器也存在单点故障的隐患。如果矿池服务器宕机或者因拒绝服务攻击而放慢运行速度，矿池中的矿工就无法挖矿。在2011年，为解决这个中心化问题，引进了一个新的矿池挖矿协议：P2P矿池，它是一个点对点的矿池，不需要中心管理员。
托管矿池
大多数矿池都是“托管矿池”，即公司或者个人运营着矿池服务器。矿池服务器的拥有者被称为矿池经营者，他按一定比例向加入矿池的矿工抽取奖励费用的佣金。
矿池服务器运行着专用的软件，根据矿池挖矿协议来协调矿工们的工作。矿池服务器同时与一个或多个完全比特币节点相连（比特币节点类型与角色），可以直接访问区块链数据库的完整复制。这使得矿池服务器可以代表矿工对区块和交易进行验证，使他们从运行完全节点的负担中解脱出来。对于矿池中的矿工而言，这是一个重要的考虑因素，因为一个完全节点需要一台专用的计算机，配置至少15G~20G的硬盘，至少2G的内存（RAM）。此外，运行在完全节点上的比特币软件还需要时不时地监控、维护、升级。任何因为缺少维护或者资源而导致的宕机，都会损害矿工的收益。对于很多矿工来说，不用维护完全节点即能参与挖矿是加入托管矿池的另一大好处。
矿池服务器
矿池矿工利用挖矿协议，比如Stratum（STM）或GetBlockTemplate（GBT）与矿池服务器相连。曾经有个旧标准，被称为GetWork（GWK），到2012年年底基本上已经作废了，因为这个标准难以支撑哈希速度超过4GH/s的挖矿工作。不管是STM还是GBT协议，都会创建一个包含候选区块头的区块模板（templates）。矿池服务器通过归集交易，添加铸币交易（包括扩展随机数空间），计算默克尔根（参见默克尔树），加入连接到前序区块的哈希引用，从而创建一个新的区块。候选区块的区块头作为模板，发送给矿池中的所有矿工。每个矿工基于区块模板，在一个低于比特币网络难度值的目标下进行挖矿；一旦找到满足矿池难度值的区块，就将其发回矿池服务器，赢得奖励份额。