什么是比特币挖矿？

在某些方面，创造新比特币的过程类似于从地球中提取贵金属的过程。因此，这一过程被称为“比特币挖矿”。

正如在比特币白皮书中所述：

持续增加固定数量的新币类似于金矿工耗费资源以增加流通中的黄金。在我们的情况下，耗费的是CPU时间和电力。

比特币挖矿的简化概述如下： - 人们通过在被称为“工作量证明”（PoW）的过程中应用计算能力来竞争获取比特币奖励。这个过程之所以得名，是因为只有那些证明投入了足够资源（工作）的参与者（矿工）才有机会赢得奖励。 - 大约每10分钟，奖励会分配给一个获胜的“矿工”。 - 奖励有两部分 -> (1) “区块奖励”，即新铸造的比特币。截至撰写时，区块奖励设定为6.25个比特币（但将于2024年5月初减半，之后每四年再减半，依此类推）。(2) 当前区块中所有交易相关的费用。希望进行交易的终端用户必须在拟议的交易中附加费用，以激励矿工将其包含在下一个区块中。

为什么需要比特币挖矿？

比特币挖矿是网络达成关于分类账当前状态共识的重要组成部分。它对于增强网络抵御攻击的能力也至关重要。换句话说，比特币挖矿是使人们能够安全地进行比特币交易的核心。要理解其中的缘由，我们需要更详细地了解比特币的运作方式。

比特币网络是一个全球分布的公共分类账，包含一系列带时间戳的交易。例如，一个账本条目可能显示，A某在星期一上午10点向B某发送了1个比特币。分类账大约每10分钟通过添加包含新交易列表的“区块”来更新。自愿存储此分类账的参与者称为“节点”，数以千计，这使任何人都可以看到比特币所有权的当前状态和完整历史。

根据设计，没有集中权威决定哪些交易应该被添加到新区块中。相反，分类账的状态（即“真相”）是通过节点依据比特币协议集体协调得出的。这种去中心化赋予比特币一些最有趣的特性——即抗审查性和无需许可性。

大多数节点只是存储分类账的历史，按照协议规则验证新交易的真实性，并将新的交易区块传递给其他节点。通过这种方式，网络的状态在全球范围内传播，直到所有节点拥有相同的信息。此时，关于谁拥有什么的新“真相”就形成了。

重要的是，一小部分节点，称为矿工，竞争成为实际创建每个新区块的人。关于谁拥有什么的最新真相始于赢得创建新区块权利的单个矿工。赢得创建新区块的权利通过一种称为“工作量证明”的竞争来解决。

什么是工作量证明及其必要性？

工作量证明（PoW）挖矿是一种数学上证明网络参与者投入的方式。它通过强迫参与者证明他们完成了一些消耗能量（工作）的任意计算来运作。要求消耗能量很重要，因为这使得恶意行为参与的成本极高。换句话说，它确保攻击比特币是一个赔钱（且非常昂贵）的前景，因此非常不可能发生。

从博弈论的角度来看，PoW挖矿提供了几个优势：

1. 激励诚实行为：矿工有动力遵循规则并正确验证交易。如果他们试图欺骗系统，他们将面临失去潜在区块奖励以及在挖矿过程中投入的能源/资源的风险。
2. 通过成本保障安全：添加区块所需的努力（计算工作）使区块链免受攻击。任何试图修改过去交易的尝试（即进行51%攻击）都需要巨大的计算能力，因此使得此类攻击昂贵且不切实际。
3. 公平性：挖矿区块和获取奖励的概率与矿工部署的计算资源量成比例。这提供了一种公平分配新币的机制，同时也分配了对新区块添加的决策权。
4. Sybil攻击抵抗：PoW挖矿使得Sybil攻击（实体创建许多虚假身份以影响网络）因挖矿每个身份的高成本而不可行。

比特币挖矿是如何工作的？

这个过程在**比特币白皮书**中概述：

1. 新的交易被广播到所有节点。

2. 每个节点将新交易收集到一个区块中。

3. 每个节点致力于为其区块找到一个困难的工作量证明。

4. 当一个节点找到工作量证明时，它将区块广播给所有节点。

5. 节点仅在所有交易均有效且未被耗尽时接受区块。

6. 节点通过致力于创建链中的下一个区块来表达对区块的接受，使用已接受区块的哈希作为上一个哈希。

我们来详细分解一下。

首先，矿工是那些提出对分类账进行更新的人，只有成功完成工作量证明（PoW）的矿工才被允许添加新区块。这在比特币协议中被编码。

矿工可以从由节点广播到网络的潜在交易池中自由选择有效交易。这些交易被收集到“内存池”中。理性且诚实的矿工根据交易附加的费用从内存池中选择交易，优化以获得更高的费用。这催生了费用市场，有助于确保有限的区块空间得到公平和有效的使用。

第一个完成PoW的矿工，将其提议的新区块广播给更广泛的节点网络，节点随后检查区块是否遵循协议规则。关键规则是（1）区块中的所有交易都是有效的（即没有双重支付），（2）新区块适当地引用了前一个区块并被编号为链中的下一个（即新区块构成最长链中的最新区块）。如果是这样，节点将其发送给其他节点，完成相同的过程。通过这种方式，新区块在网络中传播，直至被广泛接受为“真相”。

然而，可能（并且经常）发生的是，多个矿工几乎同时完成PoW并同时将她的新区块广播到网络。更重要的是，由于网络延迟和地理分隔，节点可能在不同时间收到新的提议区块。

值得注意的是，一个矿工新提议的区块可能会与另一个矿工的区块略有不同！这是因为，正如前面提到的，矿工是选择哪些交易包含在区块中的人——尽管他们倾向于优化盈利能力，但位置和其他因素会引入变化。当两个矿工发布不同的新区块时，‘真相’的竞争版本开始在网络中传播。网络最终通过选择增长速度更快的链来收敛于“正确”版本的真相。

让我们分解最后这部分。假设有两个竞争的链。假设75%的矿工选择版本A（因为这是他们看到的第一个版本），并开始他们的下一个区块的PoW，构建在版本A之上。另有25%的矿工选择版本B（同样，因为这是他们首先遇到的版本），并启动相同的过程，基于该版本进行构建。从统计上来说，在版本A上工作的矿工之一可能会首先完成工作量证明，将新版本广播到网络。由于节点始终选择最长链，版本A将迅速主导网络。事实上，版本B增长更快的概率随着每个附加区块呈指数下降，因此到添加第六个区块时，这在统计上是不可能的。因此，对于大多数参与者而言，在六个区块中确认的交易被认为是无法更改的。比特币中的交易“最终性”是六个区块，或大约1小时。

请注意，一个未成为最长链一部分的区块（在我们上面的例子中为版本B）被称为孤儿区块。据估计，此类区块每天会创建1到3次。包含在孤儿区块中的交易不会丢失。这是因为，如果它们没有被包含在最终成为最长链的版本中，它们将最终被添加到最长链的下一个区块中。

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比特币的哈希算法是什么？

比特币使用一种军用级加密算法，称为安全哈希算法2（SHA2）。比特币矿工在找到一个只能通过反复运行哈希算法生成的随机数时，会获得BTC奖励。此过程类似于买彩票，购买更多的彩票增加了中奖的机会。通过将更多的计算能力投入到哈希算法中，矿工实际上是在购买更多的彩票。

比特币挖矿难度调整是什么及其必要性？

工作量证明算法的难度水平每2016个区块自动调整一次，约每2周调整一次。调整的目的是保持新的区块挖矿在每10分钟一个区块的恒定速度。

难度调整考虑了应用于哈希算法的总计算能力或“哈希力”。随着计算能力的增加，难度也增加，使挖矿对所有人来说更加困难。如果计算能力减少，难度降低，使挖矿更容易。

请注意，难度调整系统使得比特币挖矿与贵金属挖矿大不相同。例如，如果金价上涨，更多的矿工会被吸引进入市场。增加的金矿工将不可避免地导致更多的黄金生产。根据供需力量，这最终会降低黄金的市场价格。然而，在比特币的情况下，生产（铸造）的比特币量由比特币协议预先确定。这意味着它不受矿工数量和能力的影响。因此，无论有多少算力投入到算法中，生产的比特币量都不会受到影响。

比特币挖矿合法吗？

比特币挖矿在大多数国家是合法的，包括美国和欧洲。在大多数地区，比特币矿工只需了解有关电力和数据基础设施利用的法律，以确保遵守当地的规则和法规。

在某些地区，当地监管机构已经或正在对比特币挖矿施加限制。最常见的原因是比特币挖矿对当地电网有负面影响和/或对环境有负面影响。例如，欧洲证券和市场管理局副主席Erik Thedéen在2021年11月表示，加密货币对实现《巴黎协定》气候变化目标构成风险。中国在2021年中期正式禁止比特币和其他加密货币的挖矿，尽管比特币的算力依然有相当一部分来自中国。

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比特币挖矿对环境有害吗？

比特币的环境影响是一个备受关注的主题。批评者通常认为比特币对环境有害，因为它消耗大量电力，他们将其与负面的环境和道德后果联系在一起。然而，这些说法需要被仔细剖析和审查。虽然比特币确实消耗了大量的电力，但关键是要考虑这些电力是如何生成的，并与其他行业进行适当的比较。此外，环境影响会因能源来源而大不相同，比特币挖矿中使用的可再生能源比例仍有争议。此外，需要注意的是，对环境有害的事物不一定在道德上有害。这里的一个例子是电力密集但有益的服务，如医院。环境影响需要与潜在的好处相权衡，在比特币的情况下，包括减少国际汇款费用、金融包容性和创造经济自由。虽然比特币的能源使用确实是一个关注点，但这是一个多方面的问题，需要细致的审查。您可以在这篇文章中找到关于比特币环境影响问题的完整分析。

比特币挖矿有利可图吗？

比特币挖矿是一个竞争激烈的行业，利润空间狭窄。主要投入是电力，尽管还需要对硬件和用于存放硬件的设施进行大量前期投资。关键的硬件被称为专用集成电路（ASIC），它是一种专门用于运行比特币哈希算法的计算设备。盈利主要依赖于将低成本电力持续应用于最有效的ASIC硬件。

比特币挖矿是一个自然平衡的系统。随着比特币价格的上涨，矿工的利润空间扩大。这吸引更多的矿工加入市场。然而，新进入者会导致铸造新区块的难度增加。这要求所有参与者消耗更多资源，从而降低整体盈利能力。比特币价格的持续下跌历来导致部分矿工由于成本超过收益而退出。

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比特币挖矿如何影响比特币价格？

在大多数情况下，矿工会出售他们赚取的大部分比特币以支付与挖矿相关的成本。这些成本随后构成净卖出压力。矿工试图通过根据市场动量持有或出售比特币来最大化利润，这可能对比特币的价格波动产生影响。这里的论点是，当比特币价格上涨时，矿工可能会试图持有更长时间，希望能够提取更多利润。这将导致净卖出压力减少，从而导致价格更快上涨。然而，当比特币价格下跌时，矿工可能会出售不仅他们的储备，还包括新获得的比特币。这反过来会促成下行波动。