• 比特幣挖礦是比特幣系統安全的一個關鍵部分

    BTC的挖礦算法究竟是如何運算的?

    比特幣挖礦是比特幣系統安全的一個關鍵部分。其原理是,比特幣礦工將一堆比特幣交易歸為一個區塊,然后反復執行一種叫做Hash的加密操作幾十億次,直到有人找到一個特殊的目標Hash值。至此,該區塊即被開采并成為比特幣區塊鏈的一部分。Hash 任務本身并不能完成任何有價值的任務,但由于通過它找到一個成功的目標值非常困難,所以它確保了沒有人擁有接管比特幣系統的能力和資源。

    Hash 函數是指輸入一個數據區塊并創建一個較小的、不可預測的輸出。Hash 函數的設計使得沒有 "捷徑 "來獲得所需的輸出結果--你只能不斷地對區塊進行Hash操作,直到你通過蠻力找到有效的一個結果為止。對于比特幣來說,Hash 函數是一個叫做SHA-256的函數。為了提供更高的安全性,比特幣將連續重復SHA-256函數兩次,這個過程被稱為雙SHA-256。

    在比特幣中,一個成功的Hash值是一個以足夠多的零開頭的數值。就像很少能找到一個以多個0結尾的電話號碼或車牌一樣,很少能找到一個以多個0開頭的Hash。但比特幣的難度是呈指數倍增加的。目前,一個成功的Hash必須從大約17個0開始。換句話說,找到一個成功的Hash比在地球上所有沙粒中找到某一粒沙子還要難。

    下圖顯示了比特幣區塊鏈中的一個區塊以及它的Hash值。黃色的字節經過Hash后生成區塊Hash值。在這種情況下,生成的Hash值以足夠多的0開始,因此此次挖礦成功。然而,Hash很難一次得到的,在這種情況下,礦工會改變nonce值或其他區塊內容,然后進行反復嘗試。

    比特幣使用的SHA-256Hash算法

    SHA-256的Hash算法采用512位(即64個字節)的輸入塊,對數據進行加密組合,并產生256位(32個字節)的輸出。SHA-256算法由重復64次的相對簡單的回合組成。下圖顯示了一個回合,它需要8個4字節的輸入--A到H,然后執行一些操作,并生成A到H的新值。

    藍色方框以非線性的方式將數值混合在一起,因此很難用密碼學分析這些值。由于算法使用了幾個不同的函數,所以發現攻擊就更難了。(如果你能找出一種數學捷徑來生成成功的Hash值,你就可以接管比特幣挖礦了)。

    Ma大多數框看A、B、C的位數,對于每個位置,如果多數位數為0,則輸出0,否則輸出1。也就是說,對于A、B、C的每個位置,看1位的數量。如果是0或1,輸出0,如果是2或3,輸出1。

    Σ0框將A的位數反轉,形成三個反轉版本,然后將它們相加模數為2。換句話說,如果1位的數量是奇數,則和為1,否則為0,和中的三個值分別是A向右反轉2位、13位和22位。

    Ch "選擇 "框根據輸入E的值選擇輸出位,如果E的某位為1,則輸出位為F的對應位,如果E的某位為0,則輸出位為G的對應位,這樣,F和G的位就根據E的值進行隨機選擇。

    下一框Σ1對E的位進行反轉和,除了移位是6位、11位和25位外,其他與Σ0類似。

    紅框執行32位加法,生成A和E的新值,輸入Wt是基于輸入數據,稍加處理。(這是輸入塊被輸入到算法中的地方。)輸入Kt是為每一輪定義的常數。

    從上圖可以看出,一輪中只有A和E是變化的。其他值不變通過,舊的A值變成新的B值,舊的B值變成新的C值,以此類推。雖然SHA-256的每一輪都不會對數據有太大的改變,但64輪之后,輸入的數據將完全被擾亂。

    這對挖礦的硬件意味著什么?

    SHA-256的每一步在數字邏輯中都非常容易實現--簡單的布爾運算和32位加法。(如果你學過電子學,你可能已經可以把電路可視化了)。出于這個原因,定制的ASIC芯片可以在硬件中非常高效地實現SHA-256算法,在一個芯片上并行地放上幾百輪。

    相比之下,Litecoin、Dogecoin和類似的altcoins使用Crypt Hash算法,該算法被有意設計成難以在硬件中實現的形式。它將1024個不同的Hash值存儲到內存中,然后以不可預測的方式將它們結合起來,以獲得最終結果。因此,與SHA-256 Hash相比,Scrypt需要更多的電路和內存。你可以通過查看挖礦硬件來了解其影響,Scrypt(Litecoin等)的計算速度比SHA-256(比特幣)慢數千倍。

    SHA-256算法出乎意料的簡單,很容易手動完成。(用于簽署比特幣交易的橢圓曲線算法用手計算會非常痛苦,因為它有很多32字節整數的乘法)。手工做一輪SHA-256花了我16分45秒。按照這個速度,Hash一個完整的比特幣區塊(128輪)需要1.49天,每天的Hash率為0.67次(雖然我可能會通過練習變得更快)。相比之下,目前的比特幣挖礦硬件每秒可以做到幾兆次的Hash,比我的手動Hash快了約五千萬倍。不用說,手動比特幣挖礦根本不實用。

    有Reddit讀者問到我的能量消耗。其實不需要太多能量消耗,所以假設靜止代謝率為1500kcal/天,人工Hash的能耗差不多為10兆焦耳/Hash。一般挖礦硬件的能耗是1000兆焦耳/Hash。所以,我的能源效率低了101?。接下來的問題是能源成本。一個便宜的食物能量來源是甜甜圈,200千卡的熱量是0.23元。這里的電是0.15美元/千瓦時,便宜了6.7倍--比我預期的要接近。因此,我每Hash的能源成本大約是挖礦硬件的67倍。很明顯,我不會靠人工挖礦發家致富,我甚至還沒有包括我需要的所有紙和鉛筆的成本。

    作者:Sajjad Hussain

    翻譯:李翰博

    編輯:Olivia

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