免责声明：观点来自原文作者，与本人无关，文章仅供参考学习，请自行辨别真伪，切勿跟风，风险自担。 翻译原文：https://www.blockpit.io/blog/what-is-bitcoin-mining

一、什么是比特币挖矿？

比特币挖矿是将新比特币引入流通、验证交易并将其添加到公共分类账（称为区块链）的过程。

矿工使用强大的计算机解决复杂的数学问题，将交易块添加到区块链中，赚取比特币和费用作为奖励。

这一重要过程会产生新的比特币，并根据设计随着时间的推移逐渐减少，并保护网络免受欺诈。

想先了解更多有关比特币的信息吗？从初学者指南开始：什么是比特币？

二、比特币挖矿术语概念

• 区块链：一种数字分类账，以安全的时间顺序记录所有比特币交易，就像链接在一起的区块链一样。
• 挖矿：使用计算机能力解决复杂难题、保护网络安全并处理交易以换取新比特币和交易费用的过程。
• 区块奖励：给予成功解决新区块难题的矿工的新比特币数量，大约每四年减半。
• 哈希函数：一种数学算法，它接受任何输入并产生固定大小的字符串，该字符串对于不同的输入是唯一的。
• 哈希率：矿工设备解决密码难题的速度，以每秒哈希值 (h/s) 为单位，表示挖矿能力。
• Nonce：矿工反复更改以获得不同哈希值的随机数，直到找到满足网络所需条件的哈希值。
• 难度：衡量找到一个新区块与最简单的区块相比有多难；它会进行调整以保持块发现率恒定。
• 工作量证明（PoW）：要求矿工解决密码难题以验证交易并创建新区块的共识机制，确保网络安全性和完整性。
• 节点：比特币网络的参与者。

三、挖矿在比特币生态系统中扮演什么角色？

挖矿是比特币的支柱，因此它在生态系统中发挥着至关重要的作用，具有多种基本功能：

3.1 交易验证

挖矿涉及验证交易数据并将其添加到比特币区块链中。这个过程确保交易合法，并防止双重支出（即有人试图多次使用相同的比特币）等问题。

3.2 网络安全

通过要求矿工解决复杂的数学难题，挖矿使得改变区块链的计算成本变得昂贵。这可以保护网络免受欺诈活动和攻击，因为改变过去的交易将需要大量的计算能力来重做后续区块的工作。

3.3 去中心化

挖矿有助于比特币网络的去中心化。由于任何拥有必要硬件和电力的人都可以参与挖矿，因此它有助于分散对网络的控制，防止任何单个实体获得过多的影响力。

3.4 货币发行

挖矿是创造新比特币的过程。矿工成功添加到区块链的每个区块都会获得新的比特币和交易费奖励。这种奖励机制不仅激励矿工保持网络安全，而且还控制新比特币的供应，模仿黄金等大宗商品从地球上开采的速度，因此比特币被称为“数字黄金”。

建立共识

挖矿是比特币网络共识机制（工作量证明）的重要组成部分。它确保网络中的所有参与者都同意区块链的当前状态并遵守相同的规则集，从而维护区块链的完整性和连续性。

四、工作量证明及其重要性

比特币是第一个在点对点网络中使用工作量证明机制解决双重支出问题的数字货币。

工作量证明 (PoW) 是一种共识机制，支撑比特币和其他几种加密货币的功能。它在使去中心化网络无需依赖中央机构就区块链状态达成一致方面发挥着至关重要的作用。

PoW 要求矿工解决复杂的数学难题（工作），这个过程需要大量的计算能力和能源（=金融投资）。他们反过来会获得新创建的比特币和交易费用的奖励。

奖励制度鼓励矿工不断投入资源以期获得奖励，从而降低了不诚实行为（例如试图改变区块链以获取欺诈性收益）的吸引力。

任何作弊尝试（例如双花）都需要不切实际的计算能力才能超过诚实网络，从而使不诚实的成本明显高于潜在的回报。

在博弈论的背景下，工作量证明创造了一个竞争环境，激励矿工为了个人利益而诚实行事，将个人利益与网络的安全性和完整性结合起来。

这种竞争形成了纳什均衡的基础，纳什均衡是博弈论中的一个概念，如果其他人保持策略不变，任何参与者都无法通过单方面改变策略来获益。

五、比特币是如何开采的？

比特币挖矿涉及几个关键步骤，确保交易安全地添加到区块链中，并生成新的比特币作为对矿工的奖励。以下是整个过程的概述：

• 交易验证：矿工从内存池收集待处理的网络交易以形成新的区块。
• 创建新区块：这些交易被编译成一个区块，等待确认。由于每个新区块的可用空间有限，矿工倾向于优先处理交易费用较高的交易。
• 计算 Merkle根：新区块中的交易成对地散列在一起，然后将这些散列一起散列，依此类推，直到所有交易都有一个散列，称为 Merkle 根。
• 解决工作证明难题：计算量最大的步骤是解决工作证明（PoW）难题。这涉及到找到一个随机数（矿工可以更改的变量），当将其添加到块并通过哈希函数传递时，会生成满足网络难度目标的哈希值。
• 寻找随机数：矿工使用专门的硬件快速猜测许多随机数值，以寻找解决难题的正确值。这个过程需要大量的计算能力和电力，因为在任何给定的尝试中找到正确的随机数的机会极低。
• 网络验证：一旦矿工解决了难题，新区块就会被网络中的其他节点验证。如果满足所需条件（交易有效，并且 PoW 难题已正确解决），则该块被接受。
• 将块添加到区块链：验证后，新块将添加到区块链中。此更新通过网络传播，并且块中包含的交易被视为已确认。
• 奖励矿工：成功的矿工从区块交易中获得新创建的比特币（区块奖励）和交易费用。
• 重复这个过程：矿工不断竞争解决新难题、处理新交易并保护网络安全。

六、采矿力学

6.1 了解内存池

mempool（内存池的缩写）是等待包含在块中的未确认交易的集合。

当用户进行比特币交易时，它们首先被广播到网络并暂时存储在内存池中，直到矿工在下一个区块中选择并确认它们。

内存池的状态反映了比特币网络当前对区块空间的需求。它受到交易量、区块大小限制和矿工行为等因素的影响。

6.2 构建候选块

矿工在构建新区块时从内存池中选取交易。费用较高的交易通常具有较高的优先级，因为矿工会受到这些费用的激励。

这意味着如果网络繁忙，费用较高的交易可能会处理得更快。

6.3 构建区块头

区块头是候选区块的重要组成部分。它包含了：

一旦构建了区块头，矿工就对其使用 SHA-256 哈希算法来生成固定大小的输出（256 位）——哈希值。

6.4 难度比较

然后将生成的哈希值与当前难度目标进行比较。如果散列满足标准（即，它具有所需数量的前导零），则该块是有效的。

然而，考虑到找到有效哈希值的可能性巨大，矿工可能需要调整随机数并重试。

6.5 调整随机数

块头中的随机数会被修改，每次新的哈希尝试都会将其增加一（或使用其他策略来更改其值）。通过更改随机数，由于 SHA-256 算法的加密属性，生成的哈希值会发生巨大变化。

即使输入值发生很小的变化，例如“Hello”和“hello”之间的差异，也会导致完全不同的哈希值。

Hello：185f8db32271fe25f561a6fc938b2e264306ec304eda518007d1764826381969

hello：2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824

6.6 广播区块

第一个获得有效哈希值的矿工会向网络宣布新区块以进行验证，从而确保他们获得新比特币和交易费用的奖励。

6.7 调整挖矿难度

随着越来越多的矿工加入网络，算力会增加，从而更有可能在更短的时间内找到新的区块。为了防止这种情况发生，比特币大约每两周自动调整一次难度，以将添加区块所需的时间保持在 10 分钟左右。

相反，如果矿工离开并且哈希率下降，那么保持区块时间一致的难度就会降低。这种适应性确保网络保持稳定和功能，无论挖矿能力如何变化。

七、比特币区块奖励

矿工通过两种方式获得报酬：区块奖励和交易费用。

区块奖励是为开采一个区块而给予的一定数量的比特币，由于减半事件，它会随着时间的推移而减少。随着新比特币发行速度放缓，交易费用成为矿工更重要的收入来源。

这种转变确保了随着区块奖励的减少，矿工对交易费用的依赖增加，从而维持了他们保护网络安全的动力。

八、挖矿如何影响比特币的供应

比特币代币经济学的决定性特征之一是其 2100 万枚代币的固定供应上限。这种设计是比特币的匿名创造者中本聪故意选择的，目的是创造一种通缩资产。

与可以无限量印刷并导致通胀压力的法定货币不同，比特币的供应上限确保了其发行是可预测的且无法改变。

为了缓解2100万的上限，比特币实施了所谓的减半事件，每4年将矿工的区块奖励减少一半，并确保逐步接近其最大供应限制。

九、比特币减半

每 210,000 个区块，即大约四年，比特币就会经历一次“减半”，矿工的区块奖励就会减少一半。从2009年比特币首次推出时每个区块的奖励为50比特币开始，这一奖励已经经历了多次减半，并将持续减半，直到区块奖励接近于零。

减半可能会通过供需动态导致价格上涨，并且往往会引起更多关注，有时会引发看涨的市场周期。

我们已经写了更多关于这个主题及其如何影响比特币价值的文章：比特币减半解释

十、如何开采比特币

我们以区块 700000 为例。

块头由以下参数定义：

• “版本”：1073733636
• “上一个blockhash”：“0000000000000000000aa3ce000eb559f4143be419108134e0ce71042fc636eb”
• “merkleroot”：“1f8d213c864bfe9fb0098cecc3165cce407de88413741b0300d56ea0f4ec9c65”
• “时间”：1631333672
• “位”：“170f48e4”

我们假设难度目标是

0000000000000000000f48e40000000000000000000000000000000000000000

所以我们的块哈希也应该以 19 个零开头。

在块头中使用 nonce = 1 将导致块哈希：

cf526dcc3304320861af95bd992490caaff2b6f83009ad266a219abd65fe4fbd

我们可以看到，块哈希以cf526dcc3304320861a开头

该区块不会被添加到区块链中，因为它不满足难度规则。

尝试使用 nonce = 2 提供以下块哈希：

e241eebfcf7328dde1d 4525b060566c719ecb515478d9b7ce9343d0dd174ff5f

我们现在需要多次猜测才能找到合适的块哈希。

Nonce = 2881644503 将满足要求 - 现在的块哈希是：

0000000000000000000 590fc0f3eba193a278534220b2b37e9849e1a770ca959

我们刚刚开采了一个区块！

十一、比特币挖矿的历史

11.1 CPU挖矿

最初，比特币挖矿是通过中央处理单元（CPU）完成的，中央处理单元是处理各种任务的计算机的多功能大脑。当比特币刚刚出现、社区规模较小、挖矿难度较低时，这是可行的。然而，随着比特币的普及和网络的扩展，CPU 不再提供高效挖矿所需的计算能力。

11.2 GPU挖矿

向图形处理单元 (GPU) 的过渡改变了采矿业的游戏规则。GPU 主要为视频游戏图形设计，擅长复杂计算和并行处理，这使得它们对于比特币的挖掘算法更加有效。

11.3 FPGA挖矿

现场可编程门阵列 (FPGA) 实现了效率的进一步飞跃。与 GPU 不同，FPGA 可以针对特定任务进行定制，允许矿工针对比特币的挖掘算法微调硬件，以更低的能耗实现更好的性能。

11.4 ASIC挖矿

专用集成电路（ASIC）的引入代表了采矿技术的顶峰。ASIC 专为比特币挖矿而设计，特别是运行 SHA-256 哈希算法。其无与伦比的速度和效率使以前的技术相形见绌。

然而，它们无法执行挖矿以外的任务，这使得它们成为加密货币挖矿行业中高度专业化的工具。

十二、安全与 51% 攻击

比特币挖矿保证了区块链的安全，但也暴露了一种被称为 51% 攻击的理论风险，即实体获得了对网络挖矿能力的多数控制权。这种控制可以允许交易操纵和双花硬币——首先将它们用于交易，然后从区块链中删除这些交易以再次花费硬币。

攻击者可能会使用“影子挖矿”来创建一个秘密的并行区块链，然后通过提供更长的链来超越合法区块链。这将使现已废弃的区块上记录的交易无效，从而对比特币的安全性和可信度构成重大风险。

虽然理论上可行，但去中心化的性质和实现超过 50% 算力的巨大成本使得此类攻击不切实际且不太可能，从而维护了比特币的安全性和用户对其交易完整性的信任。

十三、比特币挖矿的税务考虑

随着各国政府努力解决如何对加密货币相关活动进行分类和处理，比特币挖矿的税收在许多司法管辖区已成为一个复杂的问题。

采矿既可以被视为一种创业活动，也可以被视为一种创收形式。因此，矿工可能需要根据他们开采的比特币的价值缴纳所得税或营业税。

此外，当他们随后出售这些代币时，可能会征收资本利得税，具体取决于价格升值和管辖规则。

请务必查看我们广泛收集的加密货币税务指南以了解更多信息。

十四、采矿业对环境的影响

比特币挖矿对环境的影响是一个备受关注的话题。这个过程需要大量的电力来为采矿所需的专用硬件提供动力，从而产生大量的碳足迹。

剑桥比特币电力消耗指数估计， 2023 年比特币总电力消耗为 121.13 TWh，约占当年全球电力需求的 0.44%。

此外，每隔几年就会过时的采矿硬件的生产和处置会产生电子废物。虽然可再生能源和效率的提高提供了一些缓解措施，但比特币挖矿不断增长的能源需求继续带来环境挑战。

十五、比特币挖矿常见问题解答

15.1 比特币挖矿值得吗？

这取决于电力成本、硬件效率和比特币的市场价格。对某些人来说可能有利可图，但对另一些人来说代价高昂。加入矿池可能是值得的，因为它增加了通过汇集计算资源来赚取比特币奖励的机会。

15.2 开采比特币需要什么？

专用硬件 (ASIC)、稳定的互联网连接以及廉价的电力。

15.3 还剩下多少比特币？

截至目前，大约有 1900 万枚比特币已被开采，在 2100 万枚比特币总数中，还剩下约 200 万枚有待开采。

15.4 你可以在家开采比特币吗？

是的，但由于电力成本高且需要强大的硬件，这具有挑战性。

15.5 开采比特币需要多长时间？

开采一个比特币区块大约需要 10 分钟。挖矿难度不断适应网络的计算能力，无论有多少矿工竞争，都会平衡创造率。