《区块链解密：比特币挖矿与 PoW 共识机制探析》

本文由工业和信息化部电信研究院专家、敖萌博士撰写，属雷锋网AI金融评论独家特约系列，并获雷锋网与信通院联合首发权。未来，敖萌博士关于区块链系列的原创文章将继续发布，雷锋网与信通院相关平台将同步更新，敬请期待！

提到比特币，最引人入胜的部分莫过于挖矿。究其原因，无非是因为挖矿能获取比特币。以当前每枚比特币价值3900美元为例，若能成功挖掘一个区块，则可收获48750美元的区块奖励以及约6000美元的交易手续费，这怎能不让人着迷呢？

我们先讲述一个小故事来阐释这一概念：

有个村庄，村民们需共同参与决策日常事务，如决定哪天中午食堂提供饺子或面条。常规做法是每人一票，少数服从多数，然而有些村民对食堂用餐并无需求，他们可能将自己的票转让他人，这样一来，实际用餐者的需求可能会无法得到满足，导致决策不公平。

为了克服这个问题，村长提出新方案：在上午10点50分时，通过大喇叭向村民宣布：“请大家选择中午食堂准备饺子还是面条，愿意就餐的人，请前往食堂门口合力推动巨大石头。正午时刻，若石头移至东侧，则供应饺子；若石头移至西侧，则供应面条。”

于是，那些希望就餐的村民便纷纷前去推石头。最终，出力较多的群体达成心愿，而出力较少者亦坦然接受，因这是村落长久以来遵循的规则。

这个故事生动展示了“工作量证明机制”如何实现集体共识，即通过付出的努力程度来证实个人的选择意愿。

此前的文章已提及，区块链系统依靠某种机制确保所有参与者手中的账本保持一致，这种确保所有节点数据一致性的机制被称为共识机制。不同的共识算法会带来不同的性能表现，但最终目标均为维持数据一致性。

众所周知，比特币系统的基础运作方式便是记录交易。在比特币区块链中，区块是最基本的交易记录载体。当前，比特币（BTC）区块大小限制为1MB，而近期出现的新虚拟货币——比特币现金（BCC），其区块大小限制为8MB。由于区块容量有限，每个区块能容纳的交易数量也随之受限。比特币系统规定平均10分钟生成一个新区块，因此，矿工的工作实质是在10分钟内搜集并整合这段时间内产生的所有交易，将其填充进一个区块之中。每个区块的大致结构如下所示：

值得注意的是，任意区块的第一条记录均无转出地址，这就是所谓的Coinbase（挖矿交易）。没有任何人支付这笔款项给矿工，而矿工则理直气壮地写上自己获得了12.5比特币的收入。所有节点对此表示认同，从而赋予矿工挖矿收入的权利。

各个矿工在填充区块时，所录入的数据各不相同，因为他们第一条记录的CoinBase交易总会指向自己的地址。于是矿工Michael的CoinBase显示为“Michael获得了12.5比特币”，而矿工Nancy的CoinBase则显示为“Nancy获得了12.5比特币”。

每位矿工都将自己收集到的交易与应得报酬填入区块后，究竟谁的记录会被大家接纳认可呢？比特币便运用工作量证明机制，让矿工之间进行数学难题的竞争解答，率先解出答案的矿工所创建的区块将会被全网认可。就像故事中的村庄那样，每个矿工都在竭力推石头，一旦石头将其记录的内容压在下面，矿工便会高呼：“我完成了工作量证明，大家都来看看吧！”随后其他矿工会前来复制这份记录，并将其粘贴至各自账本的末尾，之后重新开启新一轮的记账循环。如此周而复始，账本页数不断增加，逐渐变得厚重起来。

“中本聪”之所以选用工作量证明机制，旨在防止系统遭受攻击。他认为，如果有人企图通过破坏账本来发起攻击，那么此人必须具备足够的计算能力，即比大多数推石头的人更强大。这样一来，攻击者就需要投入巨大的成本，但由此带来的收益却不足以覆盖成本，因此在经济层面上，攻击比特币系统的动力不足。

不过与推石头的例子不同之处在于，比特币网络中并非总是算力强大的矿工每次都能获胜。这是因为所有人都在尝试穷举方法解决同一道数学题，幸运的矿工可能短时间内就能找到正确答案，而拥有强大算力的矿工可能多次尝试仍未能找到答案。但从概率角度看，一个矿工解出答案的次数与其在网络中所占算力的比例相匹配，即如果某个矿工拥有全网30%的算力，那么在1000分钟（生成100个区块）的时间段内，他能找到答案的区块数大概率会有30个，相应地获得30%的挖矿收益。

然而，随着比特币价格不断攀升，矿工们已不再满足仅凭人力去推石头，而是开始动用家庭中的大骡大马来提升效率。最初“中本聪”的设计理念是一个cpu代表一票，通过算力决定哪位矿工的记账成为最终账本。随着比特币价格上涨，GPU挖矿开始兴起，随后人们发现GPU的速度仍然无法满足需求，进而催生了专门用于挖矿的ASIC芯片。相较于普通CPU，这类专用芯片在解决比特币问题上的计算能力提升了数万倍，因此比特币早已不再是“一个CPU一票”，也偏离了“中本聪”最初的去中心化货币理念。目前，比特币网络几乎被几个大型矿池所垄断，失去了去中心化的特性。

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