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链得得|硬核丨BTC 的挖矿算法究竟是如何运算的？


_本文原题：硬核丨BTC 的挖矿算法究竟是如何运算的？
作者 | Sajjad Hussain
链得得|硬核丨BTC 的挖矿算法究竟是如何运算的？
本文插图

比特币挖矿是比特币系统安全的一个关键部分 。 其原理是 ， 比特币矿工将一堆比特币交易归为一个区块 ， 然后反复执行一种叫做Hash的加密操作几十亿次 ， 直到有人找到一个特殊的目标Hash值 。 至此 ， 该区块即被开采并成为比特币区块链的一部分 。 Hash 任务本身并不能完成任何有价值的任务 ， 但由于通过它找到一个成功的目标值非常困难 ， 所以它确保了没有人拥有接管比特币系统的能力和资源 。 Hash 函数是指输入一个数据区块并创建一个较小的、不可预测的输出 。 Hash 函数的设计使得没有 "捷径 "来获得所需的输出结果--你只能不断地对区块进行Hash操作 ， 直到你通过蛮力找到有效的一个结果为止 。 对于比特币来说 ， Hash 函数是一个叫做SHA-256的函数 。 为了提供更高的安全性 ， 比特币将连续重复SHA-256函数两次 ， 这个过程被称为双SHA-256 。 在比特币中 ， 一个成功的Hash值是一个以足够多的零开头的数值 。 就像很少能找到一个以多个0结尾的电话号码或车牌一样 ， 很少能找到一个以多个0开头的Hash 。 但比特币的难度是呈指数倍增加的 。 目前 ， 一个成功的Hash必须从大约17个0开始 。 换句话说 ， 找到一个成功的Hash比在地球上所有沙粒中找到某一粒沙子还要难 。 下图显示了比特币区块链中的一个区块以及它的Hash值 。 黄色的字节经过Hash后生成区块Hash值 。 在这种情况下 ， 生成的Hash值以足够多的0开始 ， 因此此次挖矿成功 。 然而 ， Hash很难一次得到的 ， 在这种情况下 ， 矿工会改变nonce值或其他区块内容 ， 然后进行反复尝试 。
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比特币使用的SHA-256Hash算法SHA-256的Hash算法采用512位（即64个字节）的输入块 ， 对数据进行加密组合 ， 并产生256位（32个字节）的输出 。 SHA-256算法由重复64次的相对简单的回合组成 。 下图显示了一个回合 ， 它需要8个4字节的输入--A到H ， 然后执行一些操作 ， 并生成A到H的新值 。
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蓝色方框以非线性的方式将数值混合在一起 ， 因此很难用密码学分析这些值 。 由于算法使用了几个不同的函数 ， 所以发现攻击就更难了 。 (如果你能找出一种数学捷径来生成成功的Hash值 ， 你就可以接管比特币挖矿了) 。 Ma大多数框看A、B、C的位数 ， 对于每个位置 ， 如果多数位数为0 ， 则输出0 ， 否则输出1 。 也就是说 ， 对于A、B、C的每个位置 ， 看1位的数量 。 如果是0或1 ， 输出0 ， 如果是2或3 ， 输出1 。 Σ0框将A的位数反转 ， 形成三个反转版本 ， 然后将它们相加模数为2 。 换句话说 ， 如果1位的数量是奇数 ， 则和为1 ， 否则为0 ， 和中的三个值分别是A向右反转2位、13位和22位 。 Ch "选择 "框根据输入E的值选择输出位 ， 如果E的某位为1 ， 则输出位为F的对应位 ， 如果E的某位为0 ， 则输出位为G的对应位 ， 这样 ， F和G的位就根据E的值进行随机选择 。 下一框Σ1对E的位进行反转和 ， 除了移位是6位、11位和25位外 ， 其他与Σ0类似 。 红框执行32位加法 ， 生成A和E的新值 ， 输入Wt是基于输入数据 ， 稍加处理 。 (这是输入块被输入到算法中的地方 。 )输入Kt是为每一轮定义的常数 。 从上图可以看出 ， 一轮中只有A和E是变化的 。 其他值不变通过 ， 旧的A值变成新的B值 ， 旧的B值变成新的C值 ， 以此类推 。 虽然SHA-256的每一轮都不会对数据有太大的改变 ， 但64轮之后 ， 输入的数据将完全被扰乱 。 这对挖矿的硬件意味着什么？SHA-256的每一步在数字逻辑中都非常容易实现--简单的布尔运算和32位加法 。 （如果你学过电子学 ， 你可能已经可以把电路可视化了） 。 出于这个原因 ， 定制的ASIC芯片可以在硬件中非常高效地实现SHA-256算法 ， 在一个芯片上并行地放上几百轮 。 相比之下 ， Litecoin、Dogecoin和类似的altcoins使用Crypt Hash算法 ， 该算法被有意设计成难以在硬件中实现的形式 。 它将1024个不同的Hash值存储到内存中 ， 然后以不可预测的方式将它们结合起来 ， 以获得最终结果 。 因此 ， 与SHA-256 Hash相比 ， Scrypt需要更多的电路和内存 。 你可以通过查看挖矿硬件来了解其影响 ， Scrypt（Litecoin等）的计算速度比SHA-256（比特币）慢数千倍 。 SHA-256算法出乎意料的简单 ， 很容易手动完成 。 (用于签署比特币交易的椭圆曲线算法用手计算会非常痛苦 ， 因为它有很多32字节整数的乘法) 。 手工做一轮SHA-256花了我16分45秒 。 按照这个速度 ， Hash一个完整的比特币区块(128轮)需要1.49天 ， 每天的Hash率为0.67次(虽然我可能会通过练习变得更快) 。 相比之下 ， 目前的比特币挖矿硬件每秒可以做到几兆次的Hash ， 比我的手动Hash快了约五千万倍 。 不用说 ， 手动比特币挖矿根本不实用 。 有Reddit读者问到我的能量消耗 。 其实不需要太多能量消耗 ， 所以假设静止代谢率为1500kcal/天 ， 人工Hash的能耗差不多为10兆焦耳/Hash 。 一般挖矿硬件的能耗是1000兆焦耳/Hash 。 所以 ， 我的能源效率低了101? 。 接下来的问题是能源成本 。 一个便宜的食物能量来源是甜甜圈 ， 200千卡的热量是0.23元 。 这里的电是0.15美元/千瓦时 ， 便宜了6.7倍--比我预期的要接近 。 因此 ， 我每Hash的能源成本大约是挖矿硬件的67倍 。 很明显 ， 我不会靠人工挖矿发家致富 ， 我甚至还没有包括我需要的所有纸和铅笔的成本 。
Sajjad Hussain作者李翰博 翻译
Olivia编辑
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