比特幣挖礦

比特幣挖礦 Bitcoin Mining，是比特幣網路基於工作量證明 POW，Proof of Work 的共識機制。

礦工透過運算設備執行大量雜湊計算，競爭產生符合條件的區塊，並將新的交易記錄寫入區塊鏈。負責驗證交易、保護帳本安全，以及發行新貨幣。

當礦工成功挖出區塊後，可以獲得系統發行的新比特幣以及該區塊內交易支付的手續費作為獎勵。

Bitcoin Mining 基本概念

• 工作量證明 Proof of Work

  • POW，Proof of Work 工作量證明，是比特幣用來決定區塊產生權的機制。礦工會透過運算，反覆嘗試找到符合條件的隨機數 Nonce，以符合系統難度目標 target 的 SHA-256 雜湊值。這個以付出電力與算力為成本，保護區塊鏈安全的過程，而獲取區塊獎勵，被稱為工作量證明。

• 挖礦難度 Difficulty

  • 比特幣網路會根據全網算力，調整挖礦難度，目標是讓全網平均 10 分鐘產生一個區塊，每經過 2016 個區塊，大約是 14 天，系統便會重新計算一次難度。

• 區塊獎勵 Block Reward

  • 礦工成功挖出區塊後可獲得區塊獎勵。區塊獎勵由交易手續費，以及幣基交易 Coinbase Transaction 所產生的新發行的比特幣組成。

• 減半週期 Halving

  • 區塊獎勵初始值為 50 BTC，每過 210000 個區塊，大約為 4 年，區塊獎勵會進行減半，直到 2140 年將停止發行新比特幣。

Bitcoin Mining 運作方式

• 節點接收交易

  • 當使用者發送比特幣交易後，交易會被廣播至比特幣網路。全節點 Full Node 收到交易並驗證後，將交易放入交易記憶池 Mempool，等待礦工打包。

• 收集交易

  • 礦工建立候選區塊 Candidate Block，加入幣基交易 Coinbase Transaction，從交易記憶池 Mempool 中選取交易，準備進入工作量證明 POW 計算。

• 工作量證明

  • 礦工對區塊頭 Block Header 進行雜湊計算，尋找符合條件的隨機數 Nonce 值，並廣播提交至周圍的節點網路。

• 節點驗證

  • 每一個節點都會獨立驗證工作量證明，區塊格式以及交易狀態，是否符合共識規則。驗證完成後礦工獲得獎勵，新的區塊將會更新至鏈上，完成此區塊的挖礦。

Bitcoin Mining 工具

• 算力設備

  • CPU
  • GPU
  • FPGA
  • ASIC

• 軟體

  • 礦機韌體 (Firmware / OS)
  • 網路通訊與控制器軟體 (Stratum Client)

• 礦池

  • PPS (Pay-Per-Share，按點數付費)
  • PPLNS (Pay-Per-Last-N-Shares，按最後 N 個點數付費)
  • PPS+ / FPPS (Full Pay-Per-Share)
  • SOLO (單人模式)
  • TIDES (去中心化 / 非託管分配模式)

Bitcoin Mining 相關 BIP

• BIP 8：State Transitions with Mandatory Activation
• BIP 9：Version Bits with Timeout and Delay
• BIP 22：getblocktemplate - Fundamentals
• BIP 23：getblocktemplate - Pooled Mining
• BIP 34：Height in Coinbase
• BIP 42：Finite Monetary Supply
• BIP 141：Segregated Witness (SegWit)
• BIP 144：Segregated Witness Peer Services
• BIP 152：Compact Blocks