每个人都在谈论比特币挖矿，但究竟什么是挖矿？

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编者按：随着新一代技术革命的到来，区块链（Blockchain）作为一项关键技术，正在全球互联网领域迅速崛起。热身。在中国，区块链也被视为核心技术自主创新的重要突破口，各行各业都开始想方设法用区块链赋能这一领域，以期帮助解决发展痛点和困难。究竟什么是区块链？它是如何工作的？它的价值如何体现？从GISer的角度，我们将陆续推出一系列“区块链”科普文章，普及相关知识，分享区块链和IPFS的相关应用。请继续关注后续更新！

本文作者为雷锋网独家文章，中国信息通信研究院（工信部电信研究院）专家敖猛博士，雷锋联合出版。

比特币最吸引人的地方是采矿。为什么采矿如此迷人？因为挖矿可以获得比特币。在撰写本文时，比特币的价格为 3,900 美元。如果你能挖出一个区块，你可以获得 48,750 美元的挖矿收入和大约 6,000 美元的交易费收入。是不是很吸引人？

那么究竟什么是挖矿？矿工如何通过挖矿获得比特币？这需要从比特币区块链系统采用的PoW（Proof of Work）共识机制说起。

PoW（工作量证明）共识机制

先讲一个故事：

有一个村子，村子里的很多事情都需要大家一起做决定。比如有一天，村长需要所有的村民来决定今天中午村里的大食堂是包饺子还是卷面。通常，我们能想到的唯一方式就是投票——每个村民投一票，少数服从多数。但是有些村民不想在食堂吃饭，所以他可能会把票给别人，所以可能不公平，在食堂吃饭的大多数人可能没有实现自己的愿望。

于是村长改变了做法。 10点50分，他向所有村民广播：“中午在食堂包饺子或面条，大家自己选择。想来食堂吃就走吧。大石头被推到了食堂门口。”食堂比特币纪录的交易记录是什么，11:00整，石头推到门东，中午吃饺子；推到门西，中午吃面。”

这样，想去食堂吃饭的人都会推。结石。贡献多的人最终实现了愿望，贡献少的人也愿意。

这个故事是关于一种实现人群共识的方法，我们可以称之为“工作量证明”。用努力来证明你愿意选择。

区块链系统可以让每个人的账本保持一致。这种保持所有节点数据一致的机制，我们称之为共识机制。可以使用不同的共识算法来达到不同的性能共识效果，最终目的是保持数据的一致性。

记录工作证明，不可篡改

在比特币系统中，记录交易是系统工作的基本方式。在比特币区块链系统中，区块是记录交易的最基本容器。比特币（BTC）目前的区块大小限制为1MB（最近诞生的一种新的虚拟货币——比特币现金，BCC，目前的区块大小限制为8MB）。由于一个区块的大小是有限制的，所以每个区块可以容纳的交易数量也是有限制的。目前比特币系统规定平均每 10 分钟产生一个区块，因此矿工的工作方式本质上是在 10 分钟内收集互联网上产生的所有交易，然后将这些交易填充到一个区块中。这个块大致如下表所示：

注意第一项，在任何区块中，第一项都没有传输地址。这就是所谓的挖矿交易（CoinBase）。没有人向矿工支付这笔钱，矿工只是写下他应该得到 12.5 个比特币。所有节点都同意矿工写这个，所以矿工得到挖矿收益。

不同矿工填块时，数据肯定不一样，因为每个矿工的第一项肯定不一样，矿工只会将挖矿收益转移到自己的地址。所以矿工 Michael 的 CoinBase 是“Michael got 12.5 个比特币”，矿工 Nancy 的 CoinBase 是“Nancy got 12.5 个比特币”。

每个矿工都填写他已经收集到的交易以及他应该得到的收益，那么谁的记录会被大家认可呢？比特币采用工作量证明机制，允许矿工相互竞争以解决数学问题。谁先解决它，谁就会有一个被所有人认可的块。就像开篇故事中的村庄一样，每个矿工都在努力建造巨石，一旦石头淹没了他记录的页面，他就可以大喊：“我的工作量证明是成功的，你们，快来看看！”所有的矿工都过来把账户的页面抄下来，贴在自己的账本背面，然后开始新的记账流程。它一直在继续，账本一页一页地增加，越来越厚。

当“中本聪”决定采用工作量证明机制时，出发点是防止系统受到攻击。 “中本聪”认为，如果攻击者想要弄乱账本，他需要足够的计算能力。也就是说，他比大多数摇滚推手更强大。这样一来，他需要付出巨大的代价，但回报的收益不足以抵消成本，所以攻击者没有经济动机去攻击比特币系统。

与推石头的方式不同的是，在比特币中，每个人通过将结果一起穷尽来解决一个数学问题。并不是计算能力强的人每次都会赢，因为有人可能会幸运地在瞬间找到答案。而算力强的人这一次可能就没那么幸运了，他们已经累了很多次都没有遇到解决办法。但从概率的角度来看，得到答案的次数与其算力在整个比特币网络中的比例是一致的。也就是说，如果一个矿工拥有全网30%的算力，那么基本上在1000分钟内（100个区块产生），30个区块就是他找到的答案，那么他就获得了30%的挖矿收益。

但目前，由于比特币价格上涨比特币纪录的交易记录是什么，推石者不再满足于自己推，而是派骡马去干活。在“中本聪”的原始设计中，一个 CPU 一票，通过计算能力来决定哪个矿工的账户可以成为最终账户。随着比特币价格的上涨，GPU挖矿开始出现。后来，人们对GPU的速度不满意，开始制造挖矿专用芯片。专用芯片计算比特币问题的能力是普通 CPU 的数万倍。因此，比特币不再是“一个 CPU，一票”，这也背离了最初的“中本聪”设计。比特币网络基本被几大矿池垄断，背离了去中心化货币的初衷。

51% 武力攻击

PoW共识机制以算力作为竞争条件，所以如果有人掌握了全网51%的算力，那么他就有算力优势来修改或撤销自己的支付行为。由于他的算力优势，他可以更快地计算出区块链网络中需要的随机数，从而有能力生成下一个区块，也就是挖矿。

那么你可以用 51% 的计算能力做什么？您可以修改自己的交易记录来完成上述的双花攻击；阻止其他矿工挖掘有效区块；防止区块确认交易。

但有些东西即使有 51% 的计算能力也无法改变。例如：无法修改他人的交易信息；无法阻止交易被广播，最多交易已发送但确认为0；

比如现在有人拥有超过51%的算力，有两个账户A和B，现在正常的区块高度是5。首先有人生成一笔交易，将账户A的钱全部转移到账户B. 本次交易放置在区块高度为 6 的区块上，该交易不向全网广播。与此同时，有人将A账户中的所有比特币兑换成美元。这笔交易记录在区块高度 5 中，此时他拿到的是美元。这时，他开始广播第6个区块。由于他的区块链最长，全网会确认他的区块链是正确的，其他区块链会回滚，但他的美元已经被筹集了，损失的将是整个交易市场。经过多次51%的攻击，会严重破坏大家对系统的信任。因此，区块链已经失去了意义。

当前的比特币网络会遭受 51% 攻击吗？基本上不存在，因为努力远大于收入，所以没有动力。

注：本文转载自雷锋网，其中“51%算力攻击”部分来自《什么是区块链双花攻击和51%算力攻击？》一文。