通过源码学习比特币 -- 挖矿

Posted 2020-12-30 timlong

挖矿的过程就是区块生成的过程 同时也是比特币“发行”的过程。

1. 矿工节点通过暴力碰撞法找到满足条件的哈希值（下文详述） 即为挖矿成功，从而获取比特币奖励

• 大约每十分钟产生一个区块， 每210000个区块（大约4年）奖励比特币减半
• 2009.1 – 50个比特币， 2012.11 – 25个， 2016 – 12.5个
• 到2040年， 总比特币数量达到 2099 9999.98个
• 2140年后 新区快不再奖励新比特币 矿工收益全部来自交易费

2. 矿工奖励分为两部分：coin base 交易奖励 + 新建区块中交易费用总和

下面是计算矿工奖励的比特币源码：

int64_t GetBlockValue(int nHeight, int64_t nFees) {// nFees = Sum(vin[i]) - Sum (vout[i]) 区块包含的交易费用总和

        int64_t nSubsidy = 50 * COIN; //COIN = 100000000 （一亿聪），初始奖励50比特币

                 int nHalving = nHeight / 210000; //nHeight:区块高度

                 if (nHalving >= 64) 

                        return nFees;

                nSubsidy >>= nHalving; //每210000个区块奖励减半（右移位操作 提高运算效率）

                return nSubsidy + nFees;

}

3. 交易发起者创建交易后，将其broadcast到相邻节点。每个节点独立的对接收到的交易进行验证

下面是比特币源码相关函数

   CheckInputs()；

   CheckTransaction()；

   AcceptToMemoryPool()；

符合规则的交易被加入内存的交易池并broadcast到其他节点

4. 挖矿节点对内存交易池的交易按优先级排序，由于区块大小有限制 ，优先级低的交易不能被打包进区块

交易优先级计算：


priority = sum (vin[i].value * vin[i] age)/sizeof(Tx) 


- vin[i].value： 交易输入金额 以聪为单位；
- vin[i] age : 交易输入所指向的utxo所在的区块的深度 (距离最新区块高度的距离 每天增大144)

- 转账金额越大 所使用的utxo越老 字节数越小 的交易优先级越高！ 
- priority > 57600000 的tx 定义高优先级；（100 000 000 satoshi * 144）/ 250 byte 
- 每个区块的前50k空间留给高优先级的tx , 剩下的按照”交易费/Kb”由高到低排序 直到达到MAX_BLOCK_SIZE； 
- 节点软件重启 内存交易池会被清空； 
- 如果交易长时间未被加入区块，交易发起节点应提高交易费重新发送；

5. 创币交易：即上文提到的给矿工的coin base 交易奖励， 作为每个新生成的block的第一笔交易

• 只有一个vin, 其指向的utxo所在的交易hash为0x0000…(32字节)
• utxo 的输出索引vout nOut 为0xFFFFFFFF 表示不指向任何UTXO;
• 交易输出金额为系统奖励（目前为12.5BTC） 发给挖矿节点自己的地址，比特币就是这么发行的
• 不包含scriptSig脚本， 以区块高度开头，剩余字节可由矿工任意填充 （最大100字节）

6. 挖矿算法：通过不断变换nNonce值 使SHA256（SHA256（区块头））的哈希值小于等于目标哈希值nhashTarget

• nhashTarget 由区块头中的nBits值决定，其大小是依据全网算力不断调整的，全网算力越高难度越大，从而使区块生成速度保持在10分钟左右

• 难度值调整 函数: GetNextWorkRequired()

详情请参考另一篇博客： https://www.jianshu.com/p/122642177711

7. 区块链分叉 
- 节点依据最长链（最多工作量）原则选择主链， 几乎每周都会发生单块的分叉，双块分叉几乎很少发生； 
- 当两个块A,B几乎同时产生时， 节点会加入先收到的块A，抛弃后收到的B(另一部分节点先收到B)； 
- 如果先收到B的节点又收到新块C时，B->C作为最长链（主链）广播到全网，A块就会变成备用分叉链； 
- 孤块：节点收到一个新块，它的父块没有在自己的链中找到，则将其加入孤块池，直到接收到其父块后再将其加入主链； 
- 每10分钟产生一个新块，是在更快的交易确认速度和更少的分叉之间做出的权衡。

8. 51%攻击：

• 并不是拥有51%以上的算力才能攻击，只是拥有的算力越高 成功的概率就越大,事实上 拥有30%的算力就可以尝试攻击。

• 目前全网算力达到近40Eh/s, 承指数级增长

    1Eh == 1000Ph; 
    1Ph == 1000Th; 
    1Th == 1000Gh; 
    1Gh == 1000Mh; 
    1Mh==1000Kh  
    (h:hash/sha256)

9. 双重支付攻击

• 小额交易A时（买咖啡） 商家不等交易A被区块确认就交付了商品，这时买家又用同一个utxo进行另外一笔交易B（转给自己的另外一个地址），这交易B就有可能先被加入矿工的区块从而使交易A失效

• 51% 算力使区块链分叉

  当一笔交易A被加入到一个区块中得到确认后，买家通过自己控制的拥有超高算力的矿池，生成一个交易B 并将交易A的utxo发给自己钱包 同时删除交易A, 利用自己强大的算力生成分叉区块并让自己的分叉成为主链。之前交易A所在的区块则成为了一个分叉…

• 因此对于大额交易，一般要等至少6个区块确认之后在交付商品，以避免51%算力双重支付攻击。

10. 拒绝服务攻击

• 拥有超级算力的节点或矿池， 通过删除区块中的某些特定地址的交易 从而使某些地址的交易一直不能被加入到区块链。

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