网络安全扫盲篇名词解释之挖矿

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1. 什么是挖矿？

在数字世界的深处，有着一项神秘而引人入胜的活动，那就是——挖矿！说到挖矿，就不得不提到比特币，即使你不懂的计算机相关术语，但是这个名词在生活中你肯定听到过。

比特币，作为第一个、也是最知名的加密货币，奠定了数字货币的基石，而挖矿正是比特币运行和交易系统的关键之一。挖矿的过程，犹如在数字世界的深海中进行一场神秘的探险。矿工们驾驶着他们的“船只”——高性能计算机，穿梭在由数据和算法构成的海洋中，寻找着那些隐藏在深处的宝藏——比特币。每一枚比特币背后，都隐藏着一段复杂的数学问题。这些问题就像是海底的迷宫，需要矿工们用他们的智慧和计算能力去解开。每一位矿工都渴望成为那个解开迷宫的人，因为那意味着他们将获得宝贵的比特币奖励。

然而，挖矿并不是一件容易的事情。随着比特币的价值不断攀升，越来越多的矿工加入了这场竞争。他们使用着越来越强大的计算机设备，不断刷新着计算的速度和精度。这使得挖矿的难度越来越大，就像是在深海中寻找宝藏的旅程变得越来越艰难。

用总结的话说：当在计算机领域中提到"挖矿"时，通常指的是加密货币挖矿。加密货币挖矿是指通过解决复杂的数学问题来验证加密货币交易并将其记录在区块链上的过程。在这个过程中，参与者被称为“矿工”，他们使用他们的计算机来进行高强度的数学计算以确保交易的安全和可靠性。一旦成功验证一组交易，矿工就会得到一定数量的加密货币作为奖励，这就是所谓的“挖矿”。

2. 比特币的起源

比特币挖矿的历史可以追溯到比特币诞生之初。在2008年，一位使用化名"中本聪"的人发布了一篇名为《比特币：一种点对点的电子现金系统》的论文，介绍了比特币的工作原理和潜在应用。比特币的设计初衷是为了解决传统金融系统中存在的中心化和信任问题。

比特币基于区块链技术（可看上一篇区块链解释），利用密码学原理来确保交易安全和匿名性。通过挖矿的方式产生新的比特币，并通过分布式记账系统记录所有交易，消除了传统银行和第三方中介的需求。这使得比特币成为一种去中心化的数字货币，可以在全球范围内进行快速、安全的交易，而无需依赖政府或金融机构的支持。

3. 比特币的数量是有限的

根据比特币的设计，每隔大约10分钟就会生成一个新的区块，这个时间间隔称为“区块时间”。最初生成的区块（创世区块）在比特币网络中会记账奖励50个比特币给挖矿成功的矿工。随着时间推移，比特币的发行量逐渐减半，每经过210,000个区块（约4年）就会发生一次减半，这个过程被称为“比特币减半”。

具体来说，区块奖励的减半情况如下：

初始阶段（0-210,000个区块）：每个区块记账奖励50个比特币

第一个减半（210,001-420,000个区块）：每个区块记账奖励25个比特币

第二个减半（420,001-630,000个区块）：每个区块记账奖励12.5个比特币

………………

以此类推，每个210,000个区块后奖励减半，直至比特币总发行量达到2100万枚为止。

因此，比特币网络中每个区块的记账奖励会随着时间逐步减少，直至最终达到总发行量为2100万枚时，将不再发放新的比特币奖励。

4. 比特币的挖矿原理

比特币网络中的所有交易被打包成一个区块，然后发送给矿工进行验证和确认。每个区块包含了一定数量的交易记录和一个与之前区块相连的特殊代码，称为“哈希值”。

在比特币网络中，矿工需要通过解决一个复杂的数学难题来竞争生成新区块。这个难题难到什么程度呢，难到没有任何一个人能通过脑子给他做出来，必须一个一个数去尝试。挖矿矿工需要通过计算产生一个符合一定条件的哈希值，这个过程称为“工作量证明”。挖矿过程实际上是通过不断尝试计算来找到符合要求的哈希值，这需要很大的计算能力和电力投入。

多个矿工在同一时间竞相计算哈希值，第一个成功找到符合条件的哈希值的矿工将赢得区块的记账权并获得一定数量的比特币奖励。一旦一个矿工找到了符合条件的哈希值，他就可以获得这次的打包奖励（一定数量比特币，还可收取交易手续费），并将这个区块广播到整个网络，其他节点经过验证后就会接受这个区块，确认其中的交易并将这个区块链接到区块链上。这个过程就是所谓的“挖矿”。

总的来说，比特币的挖矿过程是通过计算复杂的数学问题来验证和确认交易记录，通过竞争的方式获得记账权并获得比特币奖励的过程。

5. 比特币的交易过程

要了解交易流程，首先要了解一些概念名词

1. 比特币地址：每个参与比特币交易的用户都有一个唯一的比特币地址，类似于银行账户号码。这个地址由一长串数字和字母组成，用来标识用户的身份。比特币地址公开分享，但不包含用户的个人信息。

2. 数字签名：在进行比特币交易时，发送方需要使用自己的私钥对交易进行数字签名。私钥是由比特币地址对应的公钥生成的，通过私钥对交易进行签名可以证明该笔交易是经过发送方授权的。

3. 交易广播：一旦发送方对交易签名完成，交易会被广播至整个比特币网络中。其他节点收到交易后会进行验证，包括验证数字签名的有效性、发送方的余额是否足够等。

4. 区块确认：当一笔交易被确认有效后，会被打包进一个新的区块中，并被矿工验证。矿工会通过挖矿算法确认区块的有效性，一旦确认成功，这笔交易就被写入区块链中不可更改。

5. 交易验证：比特币网络中的每个节点都会保存一份完整的区块链副本，并定期验证每笔交易的完整性。通过数字签名技术，节点可以验证交易内容是否被篡改，以及是否是由合法的私钥签名所生成的。

例如A向B购买10个比特币，具体流程如下：

1. A向B购买比特币：

   A通过自己的比特币钱包应用程序选择向B购买10个比特币，并填写相关转账信息（B的比特币地址、转账金额等）。

   A生成一笔交易并使用自己的私钥对这笔交易进行数字签名，以证明这笔交易是经过A授权的。

2. 交易广播：

   A将已签名的交易广播到比特币网络中，向其他节点宣告自己的交易意图，等待交易被包含在一个新的区块中。

3. 交易确认：

   比特币网络中的各个节点接收到A广播的交易后，进行验证，包括验证数字签名、检查A的账户余额等。

   一旦验证通过，交易将被传播到其他节点继续确认。

4. 区块打包：

    矿工会将已验证的交易打包进一个新的区块，并开始通过工作量证明的过程来争取区块记账权。

   一旦某个矿工找到符合条件的哈希值，这个区块就会被添加到区块链中并广播到整个网络。

5. 交易完成：

   一旦区块被确认，A向B购买的10个比特币的交易就得到确认并生效。

   B可以在自己的比特币钱包中看到新增的10个比特币，并且这笔交易在区块链上得到永久记录。

通过以上过程，A成功向B购买了10个比特币，并且这笔交易通过区块链技术得到了安全、可靠、不可篡改的确认。比特币的去中心化和加密技术保证了交易的安全性和可信度，实现了快速的点对点数字货币交易。

6. 比特币安全

比特币网络中有一项重要原则——“最长链原则”。

根据最长链原则，当多个矿工几乎同时挖出不同的区块时，节点会选择加入最长的有效区块链。这是因为比特币网络认为最长的区块链代表了被大多数节点所接受的有效历史记录，并且拥有最大的计算工作量。

例如有两个矿工几乎是同时找到了一个新的块，然后把新的消息向周围的人进行广播，另外的矿工也发现了有两个块，但是他们先不管，以自己第一时间接收到的那个新块为准，继续计算，直到某条链比另一个长。

当出现分叉情况时，节点会持续选择挖掘下一个区块，以便让某一条链成为最长链。一旦某一个区块链变得比其他分支更长，网络中的节点会自动放弃较短的分支，接受最长的链作为正确的区块链记录。这种机制保证了整个网络保持一致，并防止了双重支付等问题。

例如 A有10个比特币，有以下3种情况

1. 余额检查：如果A只有10个比特币，但他误将20个比特币广播给B，这种情况会被网络拒绝。所有节点会检查A账户的余额，发现A没有足够的比特币支付给B，因此这笔交易会被视为无效，不会被确认。

2. 双重支付：如果A只有10个比特币，但同时向B和C支付10个，只有一笔交易会被最终确认。比特币网络的共识机制会确保只有第一个被确认的交易被写入区块链，第二笔支付会被视为无效。

同时A的交易需要被多个区块确认后才算完成。这种等待时间通常是6个区块，大约需要1小时左右。在这个过程中，网络会确认A只支付给B这一次。也就是上面所说的最长链原则。

3. 防止篡改：如果A付给了B 10个比特币，此交易记录被写入区块链后，是无法被篡改或删除的。

但理论上存在"51%"攻击，如果某一实体或组织掌控了超过网络总算力的51%，就可能发起一次51%攻击。例如上述所说的最长链，为了修改某条记录，他会一直在第二条链上继续进行计算，由于他掌握了51%的计算资源，理论上是可能超过第一条最长链的。

所以你一旦想篡改某条信息，其实就是至少跟全世界50%的人进行对抗，并且还要战胜它，这种事实际的可能性非常低。尽管51%攻击理论上是可能的，但实施起来需要巨大的成本和资源，并且有这计算资源，不如直接在正常链上进行挖矿。因此，比特币网络依然被认为是相对安全的，且尚未发生过成功的51%攻击。

原文始发于微信公众号（等保不好做啊）：网络安全扫盲篇名词解释之挖矿