深入比特币原理（十四）——矿池

比特币挖矿的演变

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比特币挖矿硬件总共有四次迭代：

2009年的CPU挖矿

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（普通PC电脑）

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2010 GPU挖矿（显卡）

显卡GPU的并行能力远超CPU，对于简单的并行Hash计算相比CPU有巨大的优势。

（图形数组）

2011 可编程门阵列 (FPGA) 挖矿

与GPU相比，FPGA的性能更好，单片机哈希速度接近GH/s级别（亿每秒），散热更容易。但普通FPGA在持续过载的情况下容易出现硬件错误，并且没有计算性能的指数级飞跃，所以最后只是昙花一现。

（八核FPGA矿机）

2013 年专用集成电路 (ASIC) 挖矿

ASIC矿机的出现导致比特币挖矿速度呈指数级增长。 从那时起，采矿就发展成为需要大量资金投入的大型项目。

（大型 ASIC 矿场）

由于比特币价格的不断上涨和挖矿技术的逐年提升，比特币挖矿的算力每年都呈指数增长。 尤其是在硬件技术迭代的时候，更是突飞猛进，具体如下：

年

年初算力

年终算力

增加

2009

0.5兆赫/秒

8兆赫/秒

16次

2010

8兆赫/秒

116GH/秒

14500次

2011年

116GH/秒

9次/秒

78次

2012

9次/秒

23次/秒

2.5倍

2013

23次/秒

10PH/秒

450次

2014

10PH/秒

300PH/秒

30次

2015年

300PH/秒

800PH/秒

2.66倍

2016年

800PH/秒

2.5 EH/秒

3.12倍

2017年

2.5 EH/秒

13.8EH/秒

5.5倍

2018

13.8EH/秒

24.8EH/秒

从下图可以看出比特币挖矿难度自诞生以来的增长曲线

矿池

从以上内容可以看出，比特币的算力一直在高速增长。 这种增长使得独立矿工越来越难以获得收入。 首先，让我们计算一下：

上图是当今最强算力14TH/s的单台矿机（一台矿机几乎相当于2012年整个比特币网络的算力，可见ASIC矿机的实力）。 售价为 1864 美元。 以比特币全网24.8EH/s计算，平均挖出一个区块的时间约为33年。

也就是说，如果你投资12万元比特币现货怎么计算收益，拥有10台这样的矿机，平均挖出一个区块的时间将达到3.3年。 而且你挖出比特币的那段时间，算力还在增长，半年可能又翻一倍，矿机也可能坏掉。 买10台矿机可能几年都没什么，对于独立矿工来说，挖矿有很大的不确定性。

基于以上原因，矿池应运而生。 矿池中可能有大型矿场参与，也可能有独立矿工加入。 矿池根据每个人的算力贡献，平均分配挖矿获得的比特币，大大增加了矿工收益的稳定性。

矿池如何运作

注意：在这种矿池模式下，不仅矿工的收益变得稳定，而且矿工不再需要维护全节点，也不需要维护各种内存数据，大大减轻了独立矿工的负担。

那么问题来了，矿池如何分配收益呢？

关键是矿池协议中矿池协议给矿工分配的难度其实和整个比特币网络的难度是不一样的，通常要低很多倍，而且每个矿池降低的难度可能不一样。 我们假设是1000次为例：

如果挖矿难度降低1000倍，即使只有一台矿机，完成这个难度的平均时间也只有4天。 假设整个矿池在4天内完成10000次这个难度，那么就可以获得整个矿池1/100000的收益。

而矿池如何在降低难度后完成比特币网络的工作量证明呢？

虽然降低了矿工的难度，但矿工会更频繁地完成工作量证明。 由于整个比特币网络的工作量证明的答案必须包含在矿工计算的低难度答案中，随着低难度答案数量的增加，总会有一个矿工计算出的低难度结果为恰好符合比特币高难度的结果，让整个矿池都能获得比特币的挖矿奖励。

注：上面介绍的矿池具有一定的中心化，矿池的管理员拥有更大的权利，所以引起了一些争议，所以人们发明了P2POOL，这是一个去中心化的矿池，但是由于技术和不便，这种矿池还没有大规模应用。 有兴趣的朋友可以谷歌一下了解一下。

额外随机数

在《深入比特币原理（十一）》中，我们描述了矿工试图通过不断改变区块头中的Nonce值来完成工作量证明。 但是从区块头的结构可以看出，Nonce值的长度是4个字节，也就是32位，只能尝试42亿个不同的值。

目前单台矿机的最高算力为14TH/s，即每秒可以计算出约14万亿个值，因此原始Nonce值的长度完全无法满足不断增长的Hash算力.

我们知道在比特币网络中，区块头的时间戳（Timestamp）字段有一定的浮动范围，所以人们开始使用同样长度为4字节的时间戳作为第二个变量，这样矿工就可以尝试增加value从232到264。但实际上，时间戳虽然可变，但必须在一定范围内，否则可能会被其他节点拒绝出块，有一定的局限性。

在矿池协议中，使用了一种新的扩展方式，即在coinbase数据中添加一个Extra Nonce。 给coinbase数据添加信息我们之前已经多次提到，这部分的大部分信息都是可以定制的，coinbase数据会影响Merkle Root值，所以会影响整个区块头的Hash值。

Extra Nonce分为Extranonce1和Extranonce2

Extranonce1：由矿池管理员生成，同一个矿池的矿工有一个唯一的Extranonce1，这样同一个矿池的矿工就不会重复工作。

Extranonce2：由矿工产生，矿工用来扩展计算空间的新Nonce值。

Extranonce2_size：矿池管理员指定的Extranonce2的长度。 如果指定长度为4字节比特币现货怎么计算收益，计算空间将从原来的232增加到264。

当前TOP10矿池算力分布

目前，最大的矿池约占比特币总算力的26.5%，但TOP10矿池占据了比特币95%的算力资源。 比特币挖矿规模越来越大，这也引发了人们对比特币矿工中心化和对算力攻击的担忧。

此前曾出现单个矿池算力接近50%的情况，引起比特币社区的极大关注。 但现在各大矿池都在有意识地将其控制在30%以下，这似乎是一种默认的“潜规则”。

关于矿池的详细信息，请参考以下网址中的内容：

对ASIC矿机的思考

ASIC矿机的出现，在一定程度上违背了中本聪白皮书中“一个CPU，一票”的理念，导致普通用户无法参与挖矿。 地雷几乎没有其他用途。

于是人们开始探索抗ASIC的挖矿算法，比如最典型的依赖内存的算法，使得内存成为计算瓶颈。

但是，反ASIC也会带来新的问题。 没有ASIC矿机的网络算力规模是有限的。 在云计算高度发达的今天，完全可以通过短时间租用大量云算力来攻击区块链网络，使得攻击成本大大降低，整个区块链网络的安全就会受到极大的威胁。

那么关于如何挖矿，用什么挖矿的话题还在争论中，你怎么看？

至此，比特币的基本内容已经完成。 后面我们会讨论Bitcoin-Segregated Witness和Lightning Network最重要的扩容方式。

这篇文章的一部分引用了 Satoshi Maomoto：[block #6] Bitcoin mining and gold panning