区块链技术和挖矿

摘要： 第一部分：区块链技术什么是区块链？区块链就是一个由多方共同维护、公开透明、不可篡改的分布式账本数据库，您可以把它想象成一本“公开的、不可撕页的账本”，但与传统账本不同，这本账本有以...

第一部分：区块链技术

什么是区块链？

区块链就是一个由多方共同维护、公开透明、不可篡改的分布式账本数据库。

您可以把它想象成一本“公开的、不可撕页的账本”，但与传统账本不同，这本账本有以下几个革命性的特点：

• 去中心化：传统的账本（如银行账本）由一个中心机构（银行）保管和控制，而区块链的账本由网络中所有的参与者（节点）共同拥有和管理，没有单一的中心机构，这大大降低了信任成本和单点故障的风险。
• 透明性：账本上的所有交易记录（区块）对所有人公开，任何人都可以查看交易历史，但无法知道交易双方的具体身份（通过加密地址保护隐私）。
• 不可篡改性：一旦一个交易被记录并打包进一个“区块”，这个区块就会被链接到之前的区块上，形成一条“链”，要修改其中的一个记录，就必须修改该区块之后的所有区块，并且要控制网络中超过51%的算力（这几乎是不可能的），数据一旦上链，就无法被篡改。
• 安全性：数据通过密码学技术进行加密和链接，确保了交易的真实性和完整性。

区块链的工作原理：如何构建这条“链”？

区块链的工作流程可以分解为以下几个步骤：

1. 发起交易：用户A发起一笔交易，比如向用户B转账1个比特币。
2. 广播交易：这笔交易被广播到整个区块链网络中，由所有的节点（参与者）接收。
3. 打包区块：网络中的“矿工”（节点）会收集一段时间内的所有待处理交易，将它们打包成一个“候选区块”。
4. 竞争记账权：矿工们通过一个复杂的数学难题（这个过程就是“挖矿”）来竞争谁能获得“记账权”，也就是将这个候选区块添加到链上的权利。
5. 获得记账权并广播：第一个解决难题的矿工将新区块广播给整个网络。
6. 网络验证：网络中的其他节点会验证这个新区块及其中的所有交易是否有效，如果有效，大家就承认这个新区块。
7. 链上更新：新区块被正式添加到区块链的末端，成为链上新的一个环节，矿工因此获得一定数量的新币（如比特币）和交易手续费作为奖励。
8. 开始新一轮：一个新的候选区块开始形成，新一轮的竞争开始。

核心比喻：

• 区块：就像账本中的一页，记录了一段时间内的所有交易。
• 链：通过密码学哈希值将每一页账本按时间顺序链接起来，形成一个完整的、不可分割的整体。
• 网络：所有参与记账和验证的计算机（节点）共同构成了这个去中心化的系统。

第二部分：挖矿

什么是挖矿？

挖矿是区块链网络（尤其是工作量证明PoW机制）中，用于创造新区块、验证交易、并确保网络安全的核心过程。

它有两个主要目的：

1. 发行新币：通过挖矿，新的加密货币（如比特币）被创造出来并进入流通，这被称为“货币发行”。
2. 维护网络安全：通过消耗大量的计算能力（算力）来竞争记账权，攻击者想要篡改账本的成本将高到天文数字，从而保证了整个网络的安全和不可篡改性。

挖矿如何工作？—— 工作量证明

目前最主流的挖矿机制是工作量证明，挖矿的本质就是在进行一场大规模的数学竞赛。

这个过程可以分解为：

1. 哈希运算：

   • 矿工将候选区块头（包含前一区块的哈希值、时间戳、交易数据等）和一个称为“随机数”的数字一起，输入到一个特定的加密哈希函数（如SHA-256）中。
   • 哈希函数会将任意长度的输入转换成一个固定长度的、看起来完全随机的字符串（哈希值）。

2. 寻找目标值：

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 区块链网络会设定一个“目标值”，这个目标值决定了哈希值必须有多小（或者说，哈希值前面必须有多少个零），这个区块才被认为是有效的。
   • 比特币网络可能会要求哈希值必须小于 ..（前面有18个零）。

3. 暴力破解：

   • 矿工的任务就是不断地改变“随机数”，然后进行哈希运算，直到找到一个随机数，使得计算出的哈希值小于网络设定的目标值。
   • 这个过程完全是随机的,就像大海捞针一样，没有捷径，只能依靠计算机的算力去尝试各种可能性，谁的计算能力越强（算力越高），谁就越有可能在竞争中胜出。

4. 获得奖励：

   • 当一个矿工找到了符合条件的随机数,他就成功“挖”到了一个区块。
   • 他将这个新区块广播出去,网络验证通过后，他就能获得区块奖励（当前每个比特币区块奖励是6.25 BTC）和该区块内所有交易的手续费。

挖矿的演变与现状

• 早期：个人用普通的CPU就可以挖矿。
• 中期：出现了专门用于挖矿的GPU（显卡），其并行计算能力远超CPU。
• 后期：为了追求极致的算力，出现了ASIC矿机（专用集成电路矿机），这是一种专门为挖矿而设计的硬件，效率极高，但成本昂贵且只能用于特定算法的挖矿。
• 现在：挖矿已经高度专业化、工业化，个人挖矿几乎不可能，因为需要投入巨额资金购买ASIC矿机和支付高昂的电费，现在更多的是由大型矿场、矿池（将众多矿工的算力集中起来，按贡献分配奖励）主导。

第三部分：区块链与挖矿的关系

挖矿是区块链（特别是PoW类型）的一种实现手段，是其共识机制的核心。

• 区块链是“账本”，它定义了数据如何存储和链接。
• 挖矿是“笔”和“墨水”，它负责往这本账本上添加新的、可信的记录，并为整个系统提供安全保障。

没有挖矿,工作量证明的区块链就无法运作，因为正是挖矿这个“昂贵”的过程，才使得交易记录变得可信，使得网络去中心化且安全。

延伸讨论：挖矿的争议与未来

挖矿虽然保障了区块链的安全,但也面临着两大挑战：

1. 能源消耗巨大：PoW挖矿需要消耗惊人的电力，引发了巨大的环境争议。
2. 中心化风险：由于挖矿需要大量资金和专业设备，算力逐渐向少数大型矿场和矿池集中，这与区块链去中心化的初衷有所背离。

为了解决这些问题,新的共识机制应运而生，

• 权益证明：PoS不再依赖算力，而是依赖持有代币的数量（“权益”）和时间，验证者（类似矿工）通过质押自己的代币来获得记账权，能源消耗极低，以太坊已于2025年完成“合并”，从PoW转向PoS，是这一趋势的里程碑。
• 委托权益证明：DPoS是PoS的变种，代币持有者投票选举少量代表（超级节点）来负责出块和验证，效率更高。

尽管如此,以比特币为代表的PoW挖矿，仍然是区块链技术中最经典、最广为人知的应用，它完美地展示了如何通过经济激励机制来构建一个无需信任的全球协作网络。