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账本当前状态共识的重要组成部分，也是抵御攻击的重要保障。换句话说，比特币挖矿是保证比特币交易安全进行的核心。为了理解原因，让我们详细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，包含了一个巨大的时间戳交易列表。例如，一个账本条目可能显示A在周一上午10点将1个比特币发送给B。大约每10分钟更新一次账本，通过添加包含新交易列表的“区块”。账本的存在，由数千个被称为“节点”的参与者自愿存储，允许任何人查看比特币所有权的当前状态和完整历史。

从设计上看，没有集中权威来决定哪些交易应添加到新块中。相反，账本的状态（即“真相”）是由节点根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账本的历史，验证新交易的真实性并将新交易块传递给其他节点。通过这种方式，网络的状态传播到世界各地，直到所有节点获取相同的信息。此时，就形成了关于谁拥有什么的新“真相”。

比特币节点如何传播区块

重要的是，一个小组的节点称为矿工，竞争以实际创建每个新块。关于谁拥有什么的更新真相始于一个赢得创建新块权利的矿工。通过一场被称为“工作量证明”的竞争来决定谁有权创建新块。

什么是工作量证明以及为什么是必要的？

工作量证明（PoW）挖矿是一种数学证明网络参与者有投入的方式。它通过迫使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。对能量的消耗要求很重要，因为它使得恶意参与者参与的成本极高。换句话说，它确保攻击比特币成为一种亏损（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。如果他们试图欺骗系统，他们将面临失去潜在区块奖励和在挖矿过程中投入的能量/资源的风险。
通过成本实现安全：添加一个区块所需的努力（计算工作）使得区块链对攻击具有安全性。任何试图篡改过去交易（即进行51%攻击）都需要巨大的计算能力，从而使这种攻击昂贵且不切实际。
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比例。这提供了一种公平的机制来分配新币，同时也分配了对新块添加的决策权。
Sybil攻击抵抗：PoW挖矿使得Sybil攻击（一个实体创建许多虚假身份以影响网络）不可行，因为为每个身份进行挖矿的成本很高。

比特币挖矿如何运作？

该过程在**比特币白皮书**中进行了总结：

新交易广播到所有节点。
每个节点将新交易收集到一个区块中。
每个节点努力为其区块找到难解的工作量证明。
当一个节点找到工作量证明时，它将区块广播给所有节点。
节点仅在区块中的所有交易都有效且未被花费的情况下才接受该区块。
节点通过使用接受区块的哈希作为前一个哈希来创建链中的下一个区块，从而表达对区块的接受。

让我们稍微详细拆分一下。

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。这在比特币协议中是编码好的。

矿工可以自由选择从节点广播到网络的潜在交易池中挑选有效交易。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带的费用从内存池中选择交易，优化更高的费用。这促成了费用市场的形成，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，将其提议的新块广播给更广泛的节点网络，节点随后检查以确保区块遵循协议规则。这里的关键规则是（1）区块中的所有交易都是有效的（即没有双花），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（即新块构成了最长链中的最新块）。如果符合，节点将其传递给其他节点，完成相同的过程。通过这种方式，新块在网络中传播，直到被广泛接受为“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并同时将她的新块广播到网络。此外，由于网络延迟和地理分隔，节点可能在稍微不同的时间接收到新的提议块。

重要的是，一个矿工的新提议块可能与另一个略有不同！这是因为，如前所述，矿工是选择将哪些交易包括在区块中的人--尽管他们倾向于追求利润最大化，位置和其他因素会引入变化。当两个矿工发送出不同的新块时，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汇聚到“正确”的真相版本。

让我们拆分最后这部分。假设有两个竞争链。假设75%的矿工选择版本A（因为这是他们首先看到的版本）并开始为下一个区块进行PoW，构建在版本A之上。其他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，构建在该版本之上。从统计上看，工作在版本A上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中。由于节点总是选择最长的链，版本A将迅速主导网络。实际上，版本B增长得更快的概率随着每增加一个区块而呈指数消失，以至于到添加六个区块时，这在统计上是不可能的。因此，对于大多数参与者来说，在六个区块中确认的交易被视为不可更改。比特币中的交易“最终性”是六个区块，约为1小时。

请注意，不成为最长链一部分的区块（我们上例中的版本B）被称为孤儿块。据估计，此类块每天生成1至3次。包含在孤儿块中的交易不会丢失。这是因为如果它们尚未包含在最终成为最长链的版本中，它们将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别的加密算法，称为安全哈希算法2（SHA2）。当比特币矿工找到了一个只能通过反复运行哈希算法生成的随机数时，他们会获得BTC奖励。这个过程类似于彩票，购买更多的彩票增加了中奖的机会。通过将更多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。

比特币挖矿中的难度调整是什么，为什么需要？

工作量证明算法的难度级别每2016个区块自动调整一次，或大约每两周调整一次。调整的目的是保持新块的挖掘恒定为每块10分钟。

难度调整考虑了应用于哈希算法的总计算能力或“哈希能力”的总量。随着计算能力的增加，难度增加，使得挖矿对每个人来说都更困难。如果计算能力减少，难度降低，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相当不同。例如，如果黄金价格上涨，更多的矿工会被吸引加入市场。更多黄金矿工的加入将不可避免地导致更多的黄金产出。通过供需力量，这将最终降低黄金的市场价格。然而，在比特币的情况下，生产（铸造）的比特币数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，无论将多少挖矿能力投入到算法中，生产的比特币数量都不会受到影响。

比特币挖矿是否合法？

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，比特币矿工只需注意电力和数据基础设施利用的法律，以确保他们遵守当地的规则和规定。

在一些地区，当地监管机构已实施或正准备实施对比特币挖矿的限制。最常提到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的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，尽管比特币的算力中仍有相当一部分来自该国。

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比特币挖矿对环境有害吗？

比特币对环境的影响是一个备受关注的话题。批评者通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在一起。然而，这些说法需要解剖并仔细检查。虽然比特币确实消耗了大量电力，但必须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，环境影响可能会根据能量来源大不相同，而比特币挖矿中使用的可再生能源比例也存在争议。此外，应注意的是，对环境不利的事物不一定在道德上有害。这里的一个例子是像医院这样既耗能又有益的服务。环境影响需要与潜在的好处权衡，而比特币的好处包括减少国际汇款费用、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问题，但这是一个需要细致考量的多面问题。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，虽然硬件和用于容纳硬件的设施也需要大量的前期投资。关键硬件称为应用特定集成电路（ASIC），这是专门用于运行比特币哈希算法的计算设备。盈利主要依赖于对低成本电力的稳定访问，应用于效率最高的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，矿工的利润率扩大。这吸引了更多矿工加入市场。然而，新进入者导致铸造新区块的难度增加。这要求所有参与者投入更多资源，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，矿工出售其赚取的比特币的很大一部分以支付与挖矿相关的成本。这些成本然后会对净卖出压力产生影响。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，这可能会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，矿工可能会尝试持有更长时间，以期获得更多利润。这将导致净卖出压力减少，导致价格上涨更快。然而，当比特币价格下跌时，矿工可能会出售的不仅是他们的储备，还有新获得的比特币。这反过来会导致下跌时的波动。

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