什么是比特币挖矿？
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。
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为什么需要比特币挖矿？
比特币挖矿是网络达成账本当前状态共识的重要组成部分，对于增强网络对攻击的防御也至关重要。换句话说，比特币挖矿是确保人们能够安全进行比特币交易的核心。为了理解原因，让我们更详细地看看比特币的工作原理。
比特币网络是一个全球分布的公共账本，包含一长串带时间戳的交易记录。例如，一个账本条目可能显示A某在周一上午10点向B某发送了1个比特币。账本大约每10分钟更新一次，通过添加包含新交易列表的“区块”实现。由成千上万的参与者（称为“节点”）自愿存储的账本，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。
按设计，没有中央权威决定哪些交易应该添加到新块中。相反，账本的状态（即“真相”）是通过节点根据比特币协议集体协调得出的。这种去中心化赋予了比特币一些最有趣的特性——即抗审查性和无许可性。
大多数节点只是存储账本的历史，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，网络的状态传播到全球，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”得以确立。
重要的是，一小部分节点，称为矿工，竞争实际创建每个新块的权利。关于谁拥有什么的更新真相始于赢得了创建新块权利的单个矿工。赢得创建新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参与的方式。它通过强迫参与者证明他们已经完成了一些消耗能量（工作）的任意计算来实现。需要消耗能量很重要，因为这使得不良行为者参与的成本极高。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，使其极不可能发生。
从博弈论的角度来看 ，PoW挖矿提供了几个优势：
- 激励诚实行为：矿工被激励遵循规则并正确验证交易。如果他们试图作弊，他们可能会失去潜在的区块奖励以及在挖矿过程中的能量/资源投资。
- 通过成本实现安全性：添加区块所需的努力（计算工作）使区块链免受攻击。任何试图更改过去交易（即进行51%攻击）的企图都需要巨大的计算能力，从而使此类攻击既昂贵又不切实际。
- 公平性：挖矿一个区块并获得奖励的概率与矿工部署的计算资源量成正比。这提供了一种公平的机制来分配新币以及分配关于添加新块的决策权。
- 抵抗女巫攻击：PoW挖矿使女巫攻击（即一个实体创建许多虚假身份来影响网络）不可行，因为每个身份的挖矿成本很高。
比特币挖矿如何运作？
该过程在 比特币白皮书 中总结：
1. 新交易广播到所有节点。
2. 每个节点将新交易收集到一个区块中。
3. 每个节点努力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，它会将该区块广播到所有节点。
5. 节点只接受其中所有交易有效且未被花费的区块。
6. 节点通过使用被接受区块的哈希作为前一个哈希来创建链中下一个区块的工作来表达对该区块的接受。
让我们更详细地拆解这一过程。
首先，矿工是提议更新账本的人，只有成功完成工作量证明（PoW）的矿工才被允许添加新块。这在比特币协议中被编码。
矿工可以自由地从节点广播到网络的潜在交易池中选择有效交易。这些交易被收集到“内存池”中。理性和诚实的矿工根据附加的费用从内存池中选择交易，优化更高的费用。这促成了费用市场，帮助确保有限的区块空间被公平和高效地使用。
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，后者会检查以确保该区块遵循协议的规则。这里的关键规则是（1）区块中的所有交易都是有效的（即没有双重支出），以及（2）新块适当地引用了前一个区块并编号为链中的下一个（即 新块构成最长链中的最新块）。如果符合，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，直到被广泛接受为“真相”。
然而，通常会出现多个矿工几乎同时完成PoW并同时将她的新块广播到网络的情况。此外，由于网络延迟和地理分离，节点可能在略有不同的时间接收到新提议的块。
重要的是，一个矿工的新提议块可能与另一个矿工的稍有不同！这是因为，正如前面提到的，矿工是选择哪些交易要包含在块中的人，尽管他们倾向于优化盈利，但位置和其他因素会引入变异。当两个矿工发送不同的新块时，竞争版本的“真相”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到“正确”的真相版本。
让我们分解最后一部分。想象有两条竞争链。假设75%的矿工选择版本A（因为这是他们首先看到的版本）并开始为下一个块的PoW工作，建立在版本A之上。其余25%的矿工选择版本B（因为这是他们首先遇到的版本）并启动相同的过程，建立在该版本之上。从统计上讲，在版本A上工作的矿工中，很可能有人会首先完成工作量证明，将新版本广播到网络中。由于节点总是选择最长的链，版本A将迅速主导网络。事实上，版本B增长速度更快的概率随着每个额外块的增加而指数级消失，因此当添加了六个块时，这在统计上是不可能的。因此，确认在六个块中的交易，对于大多数参与者来说，被认为是板上钉钉的。比特币交易的“最终性”就是六个块，或者大 约1小时。
请注意，不成为最长链（我们上面例子中的版本B）一部分的块被称为孤块。据估计，这样的块每天创建1到3次。包含在孤块中的交易不会丢失。因为如果它们没有被包含在最终成为最长链的版本中，它们将会被添加到最长链的下一个块中。
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什么是比特币的哈希算法？
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来生成的随机数时，会获得BTC奖励。这个过程类似于一个彩票，购买更多的彩票增加了中奖几率。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。
比特币挖矿的难度调整是什么，为什么需要？
工作量证明算法的难度水平每2,016个区块自动调整一次，或大约每2周调整一次。调整的目的是保持新块的挖矿恒定在每个块10分钟。
难度调整考虑了应用于哈希算法的计算能力总量或“哈希能力”。随着计算能力的增加，难度也随之增加，使得挖矿对所有人 来说都更困难。如果计算能力减少，难度也会降低，使得挖矿更容易。
请注意，难度调整系统使得比特币挖矿与贵金属的挖掘截然不同。例如，如果黄金价格上涨，更多的矿工会被吸引加入市场。更多的黄金矿工的加入将不可避免地导致更多的黄金生产。通过供需关系，这将最终降低黄金的市场价格。然而，在比特币的情况下，比特币的生产量（铸造量）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，无论有多少计算能力被投入到算法中，比特币的生产量都不会受到影响。
比特币挖矿合法吗？
比特币挖矿在大多数国家，包括美国和欧洲，都是合法的。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，以确保遵守当地法规。
在某些地区，当地监管者已经或正在对比特币挖矿施加限制。最常见的理由是比特币挖矿对当地电网造成负面影响和/或对环境造成负面影响。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》的气候变化目标构成威胁。中国在2021年中期正式禁止比特币和其他加密货币的挖矿，尽管仍有相当一部分比特币算力来自该国。
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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受到广泛关注的话题。批评者常常认为比特币对环境有害，因为它消耗了大量电力，他们将其与负面的环境和道德后果联系起来。然而，这些说法需要被解剖和仔细审查。虽然比特币确实消耗了大量电力，但关键是要考虑这些电力的生成方式，并与其他行业进行适当比较。此外，环境影响可能因能源来源而显著不同，比特币挖矿中使用的可再生能源比例也存在争议。此外，应该注意到，对环境有害的东西并不一定在道德上有问题。此处的一个例子是像医院这样高能耗但有益的服务。环境影响需要与潜在的好处进行权衡，在比特币的情况下，包括降低国际汇款费用、金融包容性和经济自由的创造。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，需要进行细致入微的审查。您可以在这篇文章中找到对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，利润率很小。主要的投入是电力，虽然也需要在硬件和用于容纳硬件的设施上进行大量的前期投资。主要的硬件称为专用集成电路（ASIC），这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，新进入者导致新块铸造的难度增加。这要求所有参与者花费更多资源，从而降低整体盈利能力。比特币价格的持续下跌历史上导致部分矿工因成本超过收入而退出。
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比特币挖矿如何影响比特币的价格？
在大多数情况下，矿工出售其获得的比特币的一大部分以支付与挖矿相关的成本。这些成本随后构成净卖压。矿工通过基于市场动量持有或出售比特币来最大化盈利的尝试可能会对比特币的价格波动产生影响。这里的观点是，当比特币价格上涨时，矿工可能会尝试持有更长时间，希望能提取更多利润。这将导致净卖压减少，从而加速价格上涨。然而，当比特币价格下跌时，矿工可能会出售他们的储备以及新获得的比特币。这反过来会导致下跌时的波动。
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