这是一个关于矿工挖矿的故事-掘金网

这是一个关于矿工挖矿的故事

掘金K • 7 6 月, 2022 5:20 上午 • 7×24快讯

上次故事说到由区块与链组成的区块链，这次要来聊聊执行这浩大工程背后辛苦挥汗（缴电费）的矿工们。

区块链技术博大精深，本文会尽量以深入浅出的方式，带领大家逐步认识区块链技术从浅到深的原理。

矿工究竟是谁？其实矿工就存在你我之中！还记得区块链是将资料存在分散的节点上吗？每个节点可代表一台电脑或伺服器，而这电脑前都有一个宅宅…不！是志向伟大的网民在操作，这些网民就是我们的矿工！矿工的主要任务有三项：(1)打包交易纪录造区块、(2)将区块传给其他节点验证、(3)节点们确认该区块无误，将区块上链。

上篇故事已经说明打包交易纪录造区块的步骤，但在继续解释矿工的任务前，我们需要先了解造区块之前发生的事，才能解释为何矿工在区块链扮演这么重要的角色。

甘道夫(左)的电子帐户地址A要汇1000枚比特币给勒苟拉斯(右)的电子帐户地址B

当灰袍巫师甘道夫要汇1000枚比特币给精灵勒苟拉斯时，他在电子帐户地址（由数字与英文字母组成的一组随机序号）输入这笔交易，电子帐户地址会产生一对公钥（Public Key）和私钥（Private Key），公钥如同你的Email帐号，大家都可以在公开网路找到你的Email，但私钥就是你的Email登入密码，只能自己知道。私钥的功能就像帮这笔交易上锁和签上专属的数位签章，公钥则是解锁。甘道夫把他汇钱的交易用私钥上锁并封上自己的数位签章，接着在区块链上广播这个交易的消息，此时，该笔交易会先进入区块链上的「待确认交易区」，等待矿工取走验证。通常附上的手续费越高，越快被矿工挑走打包。

换个角度看，私钥代表资产的「支配」权，而公钥则是资产所有权的「确认」。拥有私钥的主人可以支配这个帐户下的钱要转去哪里，公钥则无法，只能确认这个帐户的主人是谁，但是区块链只认私钥不认人，因此私钥务必保管好！

矿工通常会希望一个区块装进越多笔交易越好，因为打造一块区块和上链要价不斐，耗时又耗电，不过在比特币区块链上，一个区块的容量上限是1MB，而且矿工不是每笔都会挑进他的区块，会优先挑出手续费较高的交易，因为可以赚进比较多钱。矿工也有自己的挑选程式来找寻报酬率较高的交易，但挑选交易并不是先抢先赢，每位矿工都可以挑同一笔交易进他的区块，真正先抢先赢的时机在后面上链的时候。

假设矿工矮人金雳挑了甘道夫这笔交易，他会用甘道夫的公钥去核对交易，验证是否真的来自甘道夫本人的指令，而不是骇客半兽人的假讯息。私钥上锁加密的交易内容，可用公钥来还原，但你可能会有疑问，如果我交易内容都被人看光光了，不就没有隐匿性？这就要提到区块链的特性之一：匿名性，后来也成为监管机构担忧之处。在比特币区块链上的交易都是匿名的，有的只有汇出的电子帐户位址A和汇入的电子帐户位址B，所以甘道夫与勒苟拉斯的交易在区块链上只看的到A转帐给B，A和B背后的藏镜人是谁，除了本人以外，大家都不会知道。

由于一对私钥和公钥是由数学式算出相对应的钥匙，公钥A只能打开私钥A上锁的文件，如此一来，矿工就可以确认这笔资料是来自电子帐户A（甘道夫）。接着，矿工确认甘道夫过去的交易纪录，他的帐户结余是否足够支付要汇出的1000枚比特币。

矿工收到交易广播后会确认：

1. 该笔交易是否来自帐号A本人传输的

2. 帐号A的余额是否有足够的钱

矿工验证该笔交易是否来自帐号A本人传输的，还是来自黑客半兽人的攻击

两道步骤确认完后，矿工便把这笔交易放入准备打包的区块内，下一步开始造区块，也就是开始挖矿啰！挖矿过程类似解数学谜题，还记得上一篇区块与链的故事里，有一块黑的令人看不透的Nonce和游戏规则Difficulty吗？就是Hash Function加密步骤，矿工拿区块链上最后一个区块的Hash值加上新交易资料，然后要猜Nonce是什么，让产生出来的新Hash值小于/等于Difficulty，因此所谓「挖矿」，就是挖出这个Nonce到底是多少的过程。

新Hash值（新区块）5 =前Hash值（上一个区块）1 +新交易资料2 + Nonce（加密）3 ≤ Difficulty（游戏规则）4

Nonce是一个不断改变的随机数，加入密码学SHA-256运算，最后算出以0为开头（又称为前导零）的Hash值，如果这个Hash值符合Difficulty，就代表成功解出Nonce。如果不符合Difficulty要求，则通过递增Nonce的值，重新运算。一个符合Difficulty的Hash值是由N个前导零构成的，而几个零就取决于当时区块链网络中的Difficulty，前导零的数目越多，就代表越难。

根据https://www.blockchain.com/explorer的最新比特币区块显示（截至2018–11–20 06:54:09），目前Hash值有18个前导零，理论上需要尝试62的18次方次才能解出[注1]，矿工需要投入大量的运算设备、电力，才能产生如此庞大的运算量来猜到这个Nonce。

Difficulty的目的除了确保加密的安全性外，也为了控制新区块产生的速度，目前比特币区块链是控制在每10分钟产生一块，如果新区块生成速度变快，区块链就会提高Difficulty ，增加挖矿难度，让速度趋缓，反之亦然。

这整个过程就是「工作量验证」(Proof-of-work, POW)，谁工作效率最好，谁就是赢家。在比特币区块链上，需要使用CPU的运算能力[注2]，不断的猜Nonce、不停的算Hash值，而算力非常依赖电力[注3]。大家可能听过学生在学校宿舍偷挖矿，让宿舍电费暴涨的新闻吧！根据数位货币网站「Digiconomist」资料，比特币每笔交易使用的电力为944千瓦小时（KWh），相当于中国小家庭三个月的用电量[注4]。

比特币VS法币饶舌争霸战歌词全解析，看看你是哪一派？

这次的题材很有意思，不过需要先看过这部比特币Battle争霸战，这篇内容相当适合对于比特币有疑问的读者，文中列出了四大对于比特币的疑问，看完或许会带给你不同的想法喔！其实

比特币区块链只有一条，如何决定谁可以接上下一块区块？此时来到紧张刺激的时刻了，要能够上链，除了猜对Nonce外，还要比谁最快解出Nonce，因此可以说是谁的算力最强，谁越有机会最快解出Nonce！这个规则衍生出矿池、矿场，以及51%算力的双花攻击等议题，我们后续再一一述说。

看完以上Nonce和Difficulty的介绍有没有觉得头很晕？看不懂也没关系，主要想让读者感受一下，挖矿真的是很耗能源的网路活动。

第一名的矿工成功解出Nonce后，假设是我们的矿工矮人金雳，他会把这个成功的区块广播给区块链上其他节点的矿工检查，确认该区块是否真的是最快的，且符合Difficulty的规则。确认无误后，多数矿工便同意和承认这个区块可以上链，这个过程就是「共识决」(Consensus)，并把这个消息再次广播给其他节点，而金雳除了获得手续费外，还可以得到比特币区块链的挖矿奖励。

矿工赚什么？

1. 交易的手续费：使用者付费，由交易发起人（甘道夫的帐号A）支付，预设是฿ 0.00001/KB，但可自行加价，如同急件要付比较贵的费用。

2. 区块链的奖励：现在每一笔成功上链的区块可获得12.5枚比特币[注5]。

一「工」欢乐几「工」愁，那没抢赢上链的矿工怎么办？其实也不能怎么办，当其他也在挖矿的矿工们，收到矿工共识的新区块广播后，只能丢下原本的区块，重新回到「待确认交易区」挑选新交易打包，继续抢挖下一块区块。原本解密到一半所耗费的算力和衍生的电费也就这样付之一炬了，其实真的满浪费能源的。

最后我们再重整一下矿工在区块链的任务运作：

打包交易–>打造密码区块–>区块上链

矿工的任务看似可简单分成三个阶段，但每个阶段消耗的算力／电力是肉眼看不到的（只有看到电费帐单的当下会有深刻的感触），可是区块链技术的应用不只如此，也不应只有如此，它的去中心化乃至分散式储存的概念，反而有助于达到节省能源，将算力和储存空间的存取发挥到最大价值，我们将在下一篇故事介绍区块链文章中常被省略，因为也比较复杂，但其实很重要的默克尔树(Merkle’s Tree)，这棵树也是未来取代HTTP的IPFS星际档案系统中，很重要的底层技术之一。

51%的双花攻击故事也会在后面故事和大家分享！

是默克尔的树，不是德国总理梅克尔的树（照片出自：http://www.merkletrees.org/）

注1:可参考「区块链Blockchain —共识机制之工作量证明Proof-Of-Work」的公式（https://www.samsonhoi.com/360/blockchain_proof_of_work）

注2: 随着炒币热潮，矿工升级工具到GPU图形处理器／显卡、FPGA，速度更快、算力更强，更因应市场需求而有ASIC专业矿机的诞生，其组成的矿池可集结庞大的算力。比特币区块链中以中国的比特大陆（Bitmain）和澳洲的澳本聪为首，最近的币圈大事，就是两大矿主为了比特币现金（BCH）的硬分叉正式掀起算力大战。这样算力集中的状况，其实也违反了区块链去中心化的精神，演变成谁的算力大、谁说话的局面。

注4:参考出处：吃电巨兽！比特币每笔交易耗电中国家庭可用3个月

注5: 比特币总额限制为2,100万个比特币，每创造出21万个区块，矿工获得的比特币奖励就会减半。最近一次减半发生于2016年7月，此后挖出一个区块仅能获得12.5枚比特币奖励。

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