《区块链技术与应用》北大肖臻老师——课程笔记【6-8】

• 一、BTC网络
• 二、BTC-挖矿难度
• 三、BTC-挖矿

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提示：以下内容只是个人在学习过程中记录的笔记，图片均是肖老师课程的截图，可供参考。如有错误或不足之处，请大家指正。

一、BTC网络

比特币网络传播的工作原理（the BitCoin network）：
比特币工作在应用层（application layer），底层是P2P的overlay network（覆盖网络）。

比特币的P2P网络结构非常简单，所有节点都是对等的，没有超级节点/主节点（super node / master node），所有节点都是平等的，要加入这个网络，首先要知道至少有一个种子节点（seed node），然后和种子节点联系，种子节点会告诉它所知道的节点信息。节点之间是通过TCP协议通信的，有利于穿透防火墙。节点要离开网络不需要任何操作通知其他节点，只需要退出应用程序即可。其他节点一段时间内没有接收到某个退出网络的节点的消息，会自动将该节点从网络中删除。

比特币网络的设计原则：
simple（简单），robust（鲁棒） ，but not efficient（而不是高效）。

每个节点维护一个邻近节点的集合，消息传播在网络中flooding采取方式。节点第一次听到消息后，把消息传播给其他邻近节点，同时记录此消息已被记录，下次再接收到该消息就不用再转发给邻近节点。
邻近节点的选取是随机的，没有考虑底层的拓扑结构。

现实节点网络IP地址不同可以增强鲁棒性，但是牺牲了效率。

比特币系统中每个节点要维护等待上链的交易的集合。当节点第一次监听到某个交易时，把这个交易加入等待上链的交易集合中，并且转发该交易给邻近节点，再一次收到该交易就无需转发，可以避免交易在网络中无限传播。

转发交易的前提是交易合法。

新发布的区块在网络中传播的方式和新发布的交易是类似的，每个节点除要检查区块交易内容合法性之外，还要检查是否在最长合法链上。

越大的区块，传播速度越慢（区块大小限制：1M）。
比特币网络采用的传播方式非常耗带宽，带宽是瓶颈。

比特币网络传播属于best effort （尽力而为）。一个交易发布到比特币网络上，不一定所有节点都能接收到，每个节点收到的交易顺序也不一样，网络传播存在延迟，有的节点不一定按照协议要求进行转发交易，导致某些合法交易收不到，有些节点会转发不合法交易消息，这是去中心化面临的一个问题。

回滚交易不等于后一个交易对前一个交易的退款。

二、BTC-挖矿难度

挖矿就是不断尝试nonce值小于等于给定的目标预值。目标预值越小，挖矿难度越大。调整挖矿难度就是调整目标空间在整个输出空间中所占的比例。

比特币使用的哈希算法：SHA-256 。产生的哈希值是256位，整个输出空间是2的256次方的可能的取值，调整这个比例，通俗的说就是哈希值前面要有多少个0。目标预值并不是哈希值前面都是0，后面从某一位是其他数字或字母。

挖矿难度和目标预值成反比。挖矿难度最小为1，对应的目标预值数很大。

不调整挖矿难度会出现的情况：总算力越来越强，挖矿难度不变，出块时间会减短。
出块时间太短会容易出现分叉，这种分叉会成为常态，会出现多分叉，如二分叉、十分叉。
分叉出现过多不利于系统达成共识，会危害到系统的安全性。系统中总算力越强，安全性越好。

51%攻击：恶意节点掌握系统中51%以上的节点，就会做出对系统不利的操作。
如果系统中有很多分叉，系统总算力会被分散，诚实节点根据网络中位置的不同，可能会沿着分叉继续扩展，某个分叉的恶意节点可能会集中算力进行拓展，逐渐拓展成最长合法链，当算力被分散后，51%的攻击 的比例可能会更低。

出块时间要有一个常数的波动范围，不能无限地减小。
以太坊出块时间是每隔15秒一个块，出块时间大大减少后，以太坊设置了ghost共识协议。

分叉产生了orphan block，这些区块不能简单丢弃，需要给一些奖励uncle reward。以太坊中也需要调整出块难度保持稳定。
无论出块时间设置成多少，都要保持稳定，不能无限减少。

比特币中调整挖矿难度：
每隔2016区块调整一次挖矿难度，大概是两个星期。
调整目标预值公式：

如果实际调整时间超过两个星期，说明出块时间超过十分钟间隔，挖矿难度应该调低；如果实际调整时间不超过两个星期，说明出块时间小于十分钟间隔，速度块，应该调高挖矿难度。

实际调整难度代码中，上调下调难度都有四倍的限制，假如实际调整时间超过了八个星期，也按照八个星期计算调整，目标预值增大最多也只增加四倍，不会一次性超过四倍，主要是为了系统中出现意外情况导致目标预值有特别大的活动。

如何让所有矿工同时调整目标预值？
调整计算目标预值的方法写在比特币系统中的代码里，每挖到2016个区块会自动进行调整。

代码是开源的，如果某个恶意节点不进行调整，该恶意节点发布的区块会不被诚实节点接受。
nBits域是target编码的版本，在块头没有直接存储target域，target域需要32字节，nBits是4字节，也可以说nBits是target的压缩编码。如果恶意节点不进行调整目标预值，检查区块的合法性会不能通过。因为每一个区块要独立验证合法性，检查内容包括nBits目标预值是否正确，如果不一致发布的区块会不被其他节点接受。

以太坊调整挖矿难度是每个新出的区块都有可能会进行调整，而且调整方法也比比特币更为复杂。

比特币成功，从某种意义上说是因为它更不实用，比特币没有任何真正法币背书，没有底层的保证应用，是凭空造出来的货币。比特币的设计比较保守，也是后面有很多新的加密货币发展出来的原因之一。

2009-2018年比特币系统总算力的变化情况（图片来源于肖臻老师视频截图）： 2009-2018年比特币系统挖矿难度的变化情况（图片来源于肖臻老师视频截图）：
比特币系统2017年11月-2018年5月半年期间的难度变化曲线（图片来源于肖臻老师视频截图）：

上图说明挖矿的人越来越多，设备越来越先进，反映出大家对比特币的热情越来越高。
如果是相反情况，说明大家对这种币热情减少。

比特币系统2010-2018年每天的出块时间（图片来源于肖臻老师视频截图）：

上图可以看出总体上出块时间稳定在十分钟左右上下波动，说明难度调整达到预期目的

比特币系统2018上半年的出块时间（图片来源于肖臻老师视频截图）：

计算挖矿难度代码：
（实际比特币代码中使用的是计算目标预值公式）（图片来源于肖臻老师视频截图）：

三、BTC-挖矿

验证其合法性三方面：

• 区块内每个交易都要合法
• 每两周调整挖矿难度
• 检查区块是在延伸最长合法链

轻节点无法检测链上区块都是合法的。
轻节点假设矿工都是有理智的，不会沿着不合法的链挖下去。

挖矿过程（缺省情况下）：
1、沿着最长合法链挖下去
2、选择最先监听的分叉

在挖矿过程中，如果监听到其他节点发布了一个区块，这个区块是合法的，也是在延伸最长合法链，此时应该停止已有的挖矿，在本地重新组装一个候选区块，然后重新进行挖矿。
原因：沿着新发布区块往下挖，本地所组装的区块中所包含的交易就会发生变化，有些区块可能已经被包含在新发布区块中，块头也会发生变化。

挖矿的性质是无记忆性，无论是停止挖矿重新组装后重新挖矿还是继续挖矿，只要还未找到符合的nonce值，成功的概率都是一样的，对最后的结果没有影响。

比特币是如何保证安全性的？
从两方面保证，一是密码学上的保证，另一方面是共识机制。
密码学上的保证是别人没有自己的私钥就没有办法伪造自己的签名，前提是系统中拥有的大多数矿工是好的，是遵守协议的，不会接受没有合法签名的协议。

挖矿的演化趋势：
1、挖矿设备趋于专业化，从通用变成越来越专用
（1）CPU、通用计算机：性价比太低
（2）GPU：用于通用并行计算
（3）ASIC芯片

ASIC：专门为挖矿设计的芯片，没有多余的电路逻辑，就是为了计算哈希值，比特币挖矿而设计。（性价比最高，ASIC芯片研发周期很长）
为某一种加密货币设计的芯片只能挖那一种加密货币，不能挖其他的，除非都是使用同一种mining puzzle，可以吸引更多人挖矿（merge mining）。
设计alternative puzzle的出发点：抗ASIC芯片化resistance，目的是为了让通用的计算机也能参与挖矿。

2、挖矿的另一个趋势是大型矿池的出现。单个矿工的收入是不稳定的。单个矿工还要承担全节点的其他责任。

矿池是把矿工组织起来作为一个整体。矿池的架构是一个全节点会驱动很多矿主pool manager ，矿机矿主下连着很多矿工，矿工只负责计算哈希值，全节点的其他职责都由pool manager承担，把交易组织打包成候选区块，监听其他节点有没有发布新区块。
矿池出现的另一个目的：解决收入不稳定。

挖矿收益该如何分配？
一般来说，矿池有两种组织形式。一种是像大型数据中心那样，另一种是分布式，矿工和矿主不在一个地方，矿工要加入矿池就是按照矿池规定的通讯协议与矿主进行联系，矿主把要计算哈希值的任务分配给矿工，矿工计算完后把结果返回给矿主，有出块奖励时一起参与分红。

如果矿工是来自世界各地，收益该如何分配？
按照矿工贡献大小分配，工作量证明。
降低挖矿难度后挖到的叫做share（almost valid block）。矿工挖到share后提交给
矿主，矿主记录矿工提交的share数目，可以用这个证明矿工的工作量，等挖到新
的区块后，用share数目分配收益。

每个矿工挖到的概率取决于挖到的nonce数，和share成正比。
如果矿工挖到后不提交给矿主发不出去，收款地址是矿主的地址，矿工无法取出
收益，是无用的。只要矿工按照矿主分配的任务分区块奖励，就不可能能偷出块
奖励。
如果矿工捣乱，不提交真正挖到的结果，这样对矿工没有经济上的好处。

矿池在各个国家的分布比例:

矿池的算力的分布比例(2014年6月12日):

矿工转换矿池很容易。
大型矿池会使得51%的攻击更加容易。

占据51%以上算力的矿池可以发布的攻击：（不是只要达到51%预值就可以发动攻击。）
1、分叉攻击。

2、封锁禁令boycott：把封锁的账户的有关系的交易都不让上链，当其他节点把这个交易发布到区块上，会立刻分叉，让这个交易所在的链不能成为最长合法链。（和回滚的区别：不用等多个区块被确认 ）
3、盗币（不可能实现的，没有其他账户的私钥）

强行把不合法的交易打包到区块，会造成分叉。

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