什么是挖礦和Ethash算法？

文章出于：http://wangxiaoming.com/blog/2016/07/11/e18/

挖礦簡介

挖礦這個詞源于對加密貨幣與黃金的類比。黃金或貴金屬很稀有，電子代幣也是，增加總量的唯一方法就是挖礦。以太坊也是這樣，發(fā)行的唯一辦法就是挖礦。但是不像其他例子，挖礦也是通過在區(qū)塊鏈中創(chuàng)建、驗證、發(fā)行和傳播區(qū)塊來保護網(wǎng)絡(luò)的方法。

• 挖以太幣=保護網(wǎng)絡(luò)=驗證計算

什么是挖礦？

以太坊，和所有區(qū)塊鏈技術(shù)一樣，使用激勵驅(qū)動的安全模式。共識基于選擇具有最高總難度的區(qū)塊。礦工創(chuàng)造區(qū)塊，其他人檢測有效性。區(qū)塊只有在包含特定難度的工作量時才有效，還有其他合格性條件。請注意到以太坊Serenity里程碑，可能就會被取代（參考權(quán)益證明模型）。

以太坊區(qū)塊鏈在很多方面與比特幣區(qū)塊鏈類似，但也有些不同。在區(qū)塊鏈架構(gòu)方面，以太坊和比特幣之間最主要的的區(qū)別是，不像比特幣，以太坊區(qū)塊不僅包含交易列表也包含最近狀態(tài)（merkle patricia特里結(jié)構(gòu)的根散表編碼在狀態(tài)中更精確）除此之外，另外兩個值，區(qū)塊數(shù)和難度，也儲存在區(qū)塊中。

使用的工作量證明算法叫Ethash（Dagger-Hashimoto算法的改良版本），包括找到算法的隨機數(shù)輸入以使結(jié)果低于特定的難度閾值。工作量證明算法的意義在于，要找到這樣一個隨機數(shù)，沒有比列舉可能性更好的策略，而解決方法的驗證瑣碎又廉價。由于輸出有均勻分布（是散表功能應(yīng)用的結(jié)果），我們可以保證，平均而言，需要找到這樣一個隨機數(shù)的時間取決于難度閾值。這使得只通過操縱難度來控制找到新區(qū)塊的時間成為可能。

正如協(xié)議中所描述的，難度動態(tài)調(diào)整的方式是每15秒整個網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生一個區(qū)塊。我們說網(wǎng)絡(luò)用15秒?yún)^(qū)塊時間生產(chǎn)一個區(qū)塊鏈。這個"心跳"基本上主要強調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)同步，保證不可能維持一個分叉（允許double spend）或被惡意分子重寫歷史，除非攻擊者有半數(shù)以上的網(wǎng)絡(luò)挖礦能力（即所謂的51%攻擊）。

任何參與到網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都可能是礦工，預(yù)期的挖礦收益和他們的（相對）挖礦能力或者說成正比，比如被網(wǎng)絡(luò)總散表率標準化的，每秒嘗試的隨機數(shù)數(shù)量。

Ethash工作量證明是內(nèi)存難解的，這使它能抵抗ASIC。內(nèi)存難解性由工作量證明算法實現(xiàn)，需要選擇依靠隨機數(shù)和區(qū)塊標題的固定資源的子集合。這個資源（幾十億字節(jié)大小的數(shù)據(jù)）叫做DAG。每3000個區(qū)塊的DAG完全不同，125小時的窗口叫做epoch（大約5.2天），需要一點時間來生成。由于DAG只由區(qū)塊高度決定，它可以被事先生成，如果沒有被事先生成，客戶端需要等到進程最后來生產(chǎn)區(qū)塊。如果客戶端沒有預(yù)生成并提前緩存DAG，網(wǎng)絡(luò)可能會在每個epoch過渡經(jīng)歷大規(guī)模區(qū)塊延遲。注意不必要生成DAG以驗證工作量證明，它可以在低CPU和小內(nèi)存的狀態(tài)下被驗證。

在特殊情況下，從零開始創(chuàng)建節(jié)點的時候，只有在為現(xiàn)存epoch創(chuàng)建DAG的時候才會開始挖礦。

挖礦獎勵

獲獎區(qū)塊的成功工作量證明礦工會獲得：

• "獲勝"區(qū)塊的靜態(tài)區(qū)塊獎，包含5.0（5個）以太幣
• 區(qū)塊內(nèi)支出的gas成本 — 一定數(shù)量的以太幣，取決于當前gas價格
• 叔伯塊的額外獎勵，形式是每個叔伯塊包含額外的1/32

在區(qū)塊中執(zhí)行所有交易所消費的、由獲勝礦工提交的gas都由每個交易的發(fā)送者支付。已發(fā)生的gas成本歸到礦工賬戶作為共識協(xié)議的一部分。隨著時間變化，這會使數(shù)據(jù)區(qū)塊獎變得矮小。

叔伯塊是穩(wěn)定的區(qū)塊，比如說，和包含先前區(qū)塊（最多回6個區(qū)塊）的父區(qū)塊。有效的叔伯塊會受到獎勵以中和網(wǎng)絡(luò)滯后給挖礦獎勵帶來的影響，因而提升安全性（這叫做GHOST協(xié)議）。叔伯塊由成功工作量證明礦工形成的區(qū)塊中所包含的叔伯塊接收7/8的數(shù)據(jù)區(qū)塊獎勵（=4.375以太幣）。每個區(qū)塊最多允許2個叔伯塊。

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挖礦的成功取決于設(shè)定的區(qū)塊難度。區(qū)塊難度動態(tài)調(diào)整每個區(qū)塊，以規(guī)定網(wǎng)絡(luò)散列能力來創(chuàng)造12秒?yún)^(qū)塊時間。找到區(qū)塊的機會因此由與難度相關(guān)的散列率產(chǎn)生。

Ethash DAG

Ethash將DAG（有向非循環(huán)圖）用于工作量證明算法，這是為每個epoch生成，例如，每3000個區(qū)塊（125個小時，大約5.2天）。DAG要花很長時間生成。如果客戶端只是按需要生成它，那么在找到新epoch第一個區(qū)塊之前，每個epoch過渡都要等待很長時間。然而，DAG只取決于區(qū)塊數(shù)量，所以可以預(yù)先計算來避免在每個epoch過渡過長的等待時間。Geth和ethminer執(zhí)行自動的DAG生成，每次維持2個DAG以便epoch過渡流暢。挖礦從控制臺操控的時候，自動DAG生成會被打開和關(guān)閉。如果geth用—mine選項啟動的時候，也會默認打開。注意客戶端分享DAG資源，如果你運行任何客戶端的多個實例，確保自動的DAG生成只在一個實例中打開。

為任意epoch生成DAG：

geth makedag <block number> <outputdir>

實例geth makedag 360000 ~/.ethash.。請注意ethash為DAG使用~/.ethash (Mac/Linux) 或~/AppData/Ethash (Windows)，這樣它可以在不同的客戶端實現(xiàn)以及多個運行實例中分享。

算法

我們的算法，Ethash（之前被稱為Dagger-Hashimoto），是基于一個大的、瞬時的、任意生成的、形成DAG（Dagger-part）的資料組規(guī)定，嘗試解決它一個特定的約束，部分通過區(qū)塊標題散列來決定。

它被設(shè)計用于在一個只有慢CPU的環(huán)境中來散列快速驗證時間，但在被提供大量高帶寬內(nèi)存時，為挖礦提供大量的加速。大量內(nèi)存需求意味著大規(guī)模礦工獲得相對少的超線性利益。高帶寬需求意味著從堆在很多超速處理單元、分享同樣內(nèi)存的加速在每個單獨的單元給出很少的利益（譯者注：通過阻止專用芯片共享內(nèi)存的方式，降低礦機的作用）。

沒有節(jié)點驗證的利益因而阻礙中心化，這在挖礦中很重要。

外部挖礦應(yīng)用和以太坊工作規(guī)定和報送的后臺程序之間的交流通過JSON-RPC API發(fā)生。提供兩個RPC功能；eth_getWork和eth_submitWork。

這些被正式記錄在JSON-RPC API維基百科文章的礦工條目下。

為了挖礦你需要一個完全同步的、能夠挖礦的以太坊客戶端和至少一個以太坊賬戶。這個賬戶用于發(fā)送挖礦獎勵，通常被稱為貨幣基或以太基。查看這個說明的"創(chuàng)建帳戶"章節(jié)，學習如何創(chuàng)建帳戶。

警告：開始挖礦前，確保區(qū)塊鏈和主鏈完全同步，否則就不能在主鏈上挖礦。