北京大学肖震老师《区块链技术与应用》ETH笔记-7.0 ETH挖矿算法之二

7.0 ETH挖矿算法之二

7.1 理解以太坊挖矿算法的伪代码

mkcache：根据一个种子，填充整个缓存数组。

calc_dataset_item：通过缓存生成大数据集中的第i个元素。 基本思路是伪随机顺序读取缓存中的256个数字，每次读取的位置从上次读取的数字算起。 从缓存中最先读取数据的位置由初始mix决定，而mix由“i”决定，而“i”每次都不一样，所以mix也一定不一样。 （不同的mix可能对应最开始读的缓存数组有相同的下标，但是第二次读的数字下标mix也会参与，所以虽然第一次读的位置可以相同，但后面的读顺序不同。那就是mix了）确定初始读取的位置也确定读取顺序。）

get_int_from_item：从hash值中解析location下标，即利用当前计算的hash值mix找到下一个要读取的cache_index。

make_item：使用两个哈希值得到一个新的哈希值。 下一个哈希值也称为mix，就是利用缓存中这个位置的cache_index的个数和当前的哈希值mix。

calc_dataset：填充整个DAG数组就是不断调用calc_dataset_item。

hashimoto_full：矿工挖矿使用的函数，header是当前要生成的区块的区块头，（挖矿只需要使用区块头，因为轻节点只需要保存区块头来验证区块是否满足挖矿难度。）nonce是当前尝试的nonce值，full_size是大数据集中的元素个数，每30000个区块元素个数会增加一次，增加原来大小的1/128，dataset是前面生成的大数据集DAG。

挖矿过程：首先根据区块头信息和初始nonce生成hash值mix，然后经过64个循环。 在每一次循环中，先根据当前的哈希值mix值获取大数据中的元素下标，然后读取移除下标指向的元素数据，再用当前的哈希值mix更新哈希值mix。 与生成DAG类似，使用了make_item函数。 使用新更新的mix和数组下标得到数组下标最后一位的值和更新后的mix。 循环64次后，返回一个hash值与目标阈值进行比较。 虽然每个循环都会读取DAG的两个相邻位置的哈希值 ，但这两个哈希值的生成过程是独立的，每个都是由16M缓存中的256个数生成的，而这个读取256个数的顺序是按照伪随机顺序生成的，没有任何联系。

hashimoto_light是轻节点用来验证的函数，header是矿工挖出的区块头，nonce是区块头包含的nonce，full_size还是大数据集的元素个数，cache是用于验证的16M缓存。 calc_dataset_item通过缓存计算大数据中的dataset_index元素。 轻节点虽然不能保存大数据集，但可以独立计算每次特定位置的元素。 它与挖矿的区别在于，DAG中某个位置的元素是从缓存中推出的，而挖矿是直接从DAG中取出并读取。

mine：挖矿函数是不断修改nonce值，从0到2到64次方。 先随机生成一个nonce值，然后继续+1试试。

所有功能的总结说明了读取顺序的随机性，验证只需要保存缓存，而挖矿则需要DAG输入。

目前以太坊的挖矿主要是基于GPU。 可以看出它的设计是比较成功的，这与以太坊设计的挖矿算法（Ethash）需要的大内存有很大关系。 与128K相比，1G大阵列要大8000多倍。 即使是 16MB 也比 128K 大 100 多倍。 可以看出内存需求差距很大（而且两个数组的大小会不断增长）。 当然，除了挖矿算法的设计，以太坊实现ASIC Resistance还有一个原因，那就是有望从工作量证明（POW）转向权益证明（POS）

7.2 权益证明（POS：Proof of State）

股权证明：根据持股量通过投票达成共识，类似于股权制的有限共识，根据股份数量进行投票，股权证明不需要挖矿。 对于ASIC矿机厂商来说以太坊挖矿计算，这就像悬在他们头上的达摩克利斯之剑。 因为ASIC芯片研发周期很长，成本高，如果以太坊转为权益证明，投入的研发费用全部打水漂（ASIC矿机只能挖特定的加密货币). 但实际上，以太坊仍然是一种 POW 挖矿共识机制。 在设计之初，以太坊的开发者就设想从 POW 切换到 POS，并埋下了“难度炸弹”，以防止部分矿工不愿意切换。 但截至目前，以太坊仍然基于 POW 共识机制。

其实很多时候，在面对一些问题的时候，我们只要换个思路，就能得到很好的解决办法。 在这里，如果按照最初的思路，通过挖矿算法的不断改进，无疑很难做到ASIC Resistance。 而这里通过不断推动转POS来不断威慑矿工，让矿工不敢擅自转ASIC挖矿，从而实现ASIC Resistance。

7.3 预挖（Pre-Mining）

以太坊使用的预挖机制。 这里的“预挖”不是挖矿，而是在开发以太坊时为开发者预留一部分币种。 以太坊的早期开发者现在非常富有。 比特币不采用这种模式，所有的比特币都是通过挖矿产生的。 但是早期的挖矿难度很容易，中本聪自己也有很多币。 与Pre-Mining相对应的还有Pre-Sale。 Pre-Sale 是指出售预留货币用于后续开发，类似于风险投资或众筹。 目前，加密货币的种类很多，其中一些是通过Pre-Sale来获取资金的。 如果这时候买入，如果以后上币成功，也能得到不少好处。

7.4 以太坊统计

以太坊供应量饼图（2018年）总量约1亿，蓝色部分为Pre-Mining产生（接近3/4）。 黑色部分为区块奖励产生的以太币，绿色部分为叔块产生的奖励以太币。 不管你怎么挖，关键是不要输在起跑线上。 .

最大25家矿池挖矿算力占比（2018年）

可见挖矿中心化程度比较高。

以太坊价格变化（至2018年） 可以看出，2017年，以太坊开始大幅上涨。

以太坊市值变化（至2018年）

以太坊哈希率的变化（至 2018 年）

不同数字货币的哈希率无法比较。 例如，在以太坊中尝试 nonce 的难度要比比特币大得多。

7.5 其他观点

本文的挖矿算法设计一直倾向于让大众参与，这才公平。 并且由于参与者的分散和算力的分散，进一步使得系统更加安全。 但是同样的事情，不同的观点会有不同的看法。 有人认为让普通电脑参与挖矿是不安全的。 和比特币一样，让中心化矿池参与挖矿是安全的。 为什么？ 因为为了攻击系统，需要购买大量只能挖特定币种的矿机，通过算力进行强制51%攻击。 攻击成功后，币值必然暴跌，攻击者投入的硬件成本将全部付诸东流。 而如果允许通用计算机参与挖矿，发起攻击的成本将大大降低。 目前，大型互联网公司可以聚集他们的服务器进行攻击，攻击完成后，这些服务器仍然可以运行日常业务。 因此，有人认为，就挖矿而言以太坊挖矿计算，ASIC矿机“一统天下”是最稳妥的方式。