以太坊挖矿机制_挖以太坊-优快云博客

挖矿算法

背景

对于基于工作量证明的区块链系统来说，挖矿是保障区块链安全的重要手段。Block chain is secured by mining.
比特币的挖矿算法，是天然的bug bounty。如果能够找到漏洞或捷径，就能取得很大的利益。
比特币的挖矿算法比较成功，经受住了时间的检验。但是仍然有一些值得改进的地方。

改进点

背景

有一个饱受争议的问题，挖矿设备的专业化。只能用专业的设备，专业的asic芯片来挖矿。这种做法与去中心化的理念是背道而驰的，也和比特币的设计初衷是相违背的。中本聪最早的比特币论文中，提出了一个说法是：one cpu，one vote。在理想的状况下，应该让普通的老百姓，也能够参与挖矿的过程当中。就用自己家里的桌面机、笔记本电脑、甚至手机来挖矿，这样也更加安全。

如何设计出对asic芯片不友好的mining puzzle呢？

一个常用的做法是，增加这个puzzle对内存访问的需求，即memory hard mining puzzle。asic芯片相对于主流的计算机而言，主要优势是算力强，计算能力很强，但是在内存访问的性能上，没有那么大的优势。

实际例子莱特币

如何设计呢?

早期的例子，就是莱特币。莱特币曾经是市值仅次于比特币的第二大货币。使用的Puzzle是基于Script
，这是一个对内存要求很高的哈希函数。以前用于计算机安全领域，和密码相关。

具体设计思想是？

我开设一个很大的数组。按照顺序填写伪随机数。我有一个种子节点，有个seed值，通过运算算出数填在第一个位置，后面每个位置都是前一个位置的值取哈希得到。

为什么叫为随机数？

哈希得到的值，看上去像随机数。实际上不可能真的用随机数，没法验证。

数组填充的特点是？

[ , , , , , , , , , ]
数组里面的取值有前后依赖关系。从第一个数依次算出。求解puzzle的时候，按照伪随机顺序，从数组当中读取一些数。每次读取位置，和前一个数相关。比如，解puzzle，读取A位置的数，把A的值读出来后，根据取值进行运算，算出下次读取到位置，比如B。读取B的数，在经过运算，得到位置C。这也是一种伪随机的顺序，是根据哈希运算，得到下一个位置。

这样的好处是？

1 如果数组足够大，对于挖矿的矿工，就是memory hard。如果不保存数组，挖矿计算复杂度大幅度上升。读取数的时候，没保存数组，怎么办呢？求解puzzle，比如第一个要读取A位置的数，若没有数组，则要从第一个数开始，依次去计算每个位置的值，得到A的值。读取第二个B位置的值，要重新从头开始计算B的值，因为没有将数组存起来。C也一样。这个计算的复杂度会大幅度上升。
2 所以，要高效挖矿，内存区域要进行保存。
3 有的矿工可能保存一部分内存区域的内容。比如，数组当中只保留奇数位置的元素，偶数位置的元素就不存了，这样数组会减少一半。用到偶数位置就用另一半去计算。计算复杂度提高一些，但内存减少了一半，这种又称为time-memory trade off。

核心思想

不能像比特币一样，主要进行哈希运算。比特币也不是取了一次哈希，是取了两次。但是不够，要增强对内存访问的需求。要设计一个对asic芯片不友好的，让普通计算机能够参与的算法。要设计的任务更像是普通计算机做的，而不像挖矿专用的asic芯片做的。普通计算机内存很大，还有其他的特性，很大的硬盘之类。就要利用这个特性，设计这个puzzle对这个需求特别像是普通计算机对资源的配对比例。

这个puzzle好的地方

对矿工来说挖矿是memory hard。

坏的地方

对轻节点也是memory hard。设计puzzle的原则是：difficult to solve, but easy to verify。求解puzzle很难，验证puzzle很容易。这种算法的问题在于验证和求解puzzle的区域几乎一样大。验证也要保存数组，否则计算复杂度也会很高。Script 早期安全领域密码方面，这个不是问题，它没有轻节点验证的问题。但对这个场景而言，是不行的。这样造成的结果是，litecoin真正使用的时候，内存区域不敢设置太大。比如1G的内存，对于计算机1G不大，如果手机的app，1G的内存就太大了。最终实际使用的时候，数组只有128K，非常小。连1M都不到，就是为了照顾轻节点。

效果如何？

litecoin发行的时候，目标不仅是asic resistance 还是 gpu resistance，挖矿连gpu都不用，只用cpu。结果呢，后来就出现了gpu 挖矿，后面asic 芯片挖矿。实践证明，litecoin要求的128k，不足以对asic芯片的生产和设计带来实质性的障碍，最初的设计目标是没有达到的。
早期宣传的设计目标，对于解决莱特币的冷启动的问题很有帮助。
比特币是如何冷启动呢？总的来说是循环迭代的过程。中本聪宣传多了，感兴趣的多，挖矿的多，比特币就更安全了，价值就高了，良性循环。
莱特币虽然没达到设计目标，但是早期的宣传，更民主，让更多人参与的理念，对于聚集人气来说，是很重要的。莱特币到现在仍然是比较主流的加密货币。