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https://github.com/tianmingyun/MasterBitcoin2CN
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本文6200字。
10.1 简介
“挖矿”这个词有点误导。 一般意义的挖矿类似贵金属的提取，更多将人们的注意力集中到创造每个区块中获得的奖励。 虽然挖矿能够获得这种奖励作为激励，但挖矿的主要目的不是这个奖励或者产生新币。 如果您只是把挖矿视为创建新币的过程，则会将比特币系统中的这个手段（激励）作为挖矿过程的目标。 挖矿最重要的作用是巩固了去中心化的清算交易机制，通过这种机制，交易得到验证和清除。 挖矿是使得比特币与众不同的发明，它实现去中心化的安全机制，是P2P数字货币的基础。
挖矿确保了比特币系统安全，并且在没有中央权力机构的情况下实现了全网络范围的共识。 新币发行和交易费的奖励是将矿工的行动与网络安全保持一致的激励计划，同时实现了货币发行。
提示 挖矿的目的不是创造新的比特币。 这是激励机制。 挖矿是一种机制，这种机制实现了去中心化的安全。
矿工们验证每笔新的交易并把它们记录在总帐簿上。每10分钟就会有一个新的区块被“挖掘”出来，每个区块里包含着从 上一个区块产生到目前这段时间内发生的所有交易，这些交易被依次添加到区块链中。我们把包含在区块内且被添加到 区块链上的交易称为“确认”（confirmed）交易，交易经过“确认”之后，新的拥有者才能够花费他在交易中得到的比特币。
矿工们在挖矿过程中会得到两种类型的奖励：创建新区块的新币奖励，以及区块中所含交易的交易费。为了得到这些奖 励，矿工们争相完成一种基于加密哈希算法的数学难题，这些难题的答案包括在新区块中，作为矿工的计算工作量的证 明，被称为”“工作量证明”。该算法的竞争机制以及获胜者有权在区块链上进行交易记录的机制，这二者是比特币安全的基石。
新比特币的生成过程被称为挖矿是因为它的奖励机制被设计为速度递减模式，类似于贵重金属的挖矿过程。比特币的货 币是通过挖矿发行的，类似于中央银行通过印刷银行纸币来发行货币。矿工通过创造一个新区块得到的比特币数量大约 每四年（或准确说是每210,000个块）减少一半。开始时为2009年1月每个区块奖励50个比特币，然后到2012年11月减 半为每个区块奖励25个比特币。之后在2016年7月再次减半为每个新区块奖励12.5个比特币。基于这个公 式，比特币挖矿奖励以指数方式递减，直到2140年。届时所有的比特币（20,999,999,980）全部发行完毕。换句话说 在2140年之后，不会再有新的比特币产生。
矿工们同时也会获取交易费。每笔交易都可能包含一笔交易费，交易费是每笔交易记录的输入和输出的差额。在挖矿过 程中成功“挖出”新区块的矿工可以得到该区块中包含的所有交易“小费”。目前，这笔费用占矿工收入的0.5%或更少，大 部分收益仍来自挖矿所得的比特币奖励。然而随着挖矿奖励的递减，以及每个区块中包含的交易数量增加，交易费在矿 工收益中所占的比重将会逐渐增加。在2140年之后，所有的矿工收益都将由交易费构成。
在本章中，我们先来审视比特币的货币发行机制，然后再来了解挖矿的最重要的功能：支撑比特币安全的去中心化的自 发共识机制。
为了了解挖矿和共识，我们将跟随Alice的交易，以及上海的矿工Jing如何收到并利用挖矿设备将交易加入区块。 然后，我们将继续跟踪区块被挖矿，加入区块链，并通过共识被比特币网络接受。
10.1.1 比特币经济学和货币创造
通过创造出新区块，比特币以一个确定的但不断减慢的速率被铸造出来。大约每十分钟产生一个新区块，每一个新区块 都伴随着一定数量从无到有的全新比特币。每开采210,000个块，大约耗时4年，货币发行速率降低50%。在比特币运 行的第一个四年中，每个区块创造出50个新比特币。
2012年11月，比特币的新发行速度降低到每区块25个比特币，2016年7月，降低到12.5比特币/区块。2020年的某个时候，也就是在区块630,000，它将再次下降至6.25比特币。新币的发行速度会以指数级进行32次“等分”，直到第6,720,000块（大约在2137年开采）达到比特币的最小货币单位1 satoshi。最终，在经过693万个区块之后，所有的共 2,099,999,997,690,000聪比特币将全部发行完毕。也就是说，到2140年左右，会存在接近 2,100万比特币。在那之后，新的区块不再包含比特币奖励，矿工的收益全部来自交易费。图10-1展示了在发行速度不断降低的情况下，比特币总流通量与时间的关系。
注意比特币挖矿发行的最大数量也就成为挖矿奖励的上限。 在实践中，矿工可能故意挖掘哪些不足全额奖励的区块。 这些块已经开采了，未来可能会有更多被开采，这样导致货币发行总量的下降。
在例10-1的代码展示中，我们计算了比特币的总发行量。
例10-1 比特币发行总量的计算脚本
link:code/max_money.py[]
例10-2 显示上述脚本的输出
$ python max_money.py
Total BTC to ever be created: 2099999997690000 Satoshis
总量有限并且发行速度递减创造了一种抗通胀的货币供应模式。法币可被中央银行无限制地印刷出来，而比特币永远不 会因超额印发而出现通胀。
通货紧缩
最重要并且最有争议的一个结论是一种事先确定的发行速率递减的货币发行模式会导致货币通货紧缩（简称通缩）。通缩是一种由于货币的供应和需求不匹配导致的货币增值的现象。它与通胀相反，价格通缩意味着货币随着时间有越来越强的购买力。
许多经济学家提出通缩经济是一种无论如何都要避免的灾难型经济。因为在快速通缩时期，人们预期着商品价格会下跌，人们将会储存货币，避免花掉它。这种现象充斥了日本经济“失去的十年”，就是因为在需求坍塌之后导致了滞涨状态。
比特币专家们认为通缩本身并不坏。更确切地说，我们将通缩与需求坍塌联系在一起是因为过去出现的一个特例。在法币届，货币是有可能被无限制印刷出来的，除非遇到需求完全崩塌并且毫无发行货币意愿的情形，因此经济很难进入滞涨期。而比特币的通缩并不是需求坍塌引起的，它遵循一种预定且有节制的货币供应模型。
通货紧缩的积极因素当然是与通货膨胀相反。 通货膨胀导致货币缓慢但不可避免的贬值，这是一种隐性税收的形式，惩罚在银行存钱的人从而实现解救债务人（包括政府这个最大的债务人）。 政府控制下的货币容易遭受债务发行的道德风险，之后可能会以牺牲储蓄者为代价，通过贬值来抹去债务。
比特币这种不是因经济快速衰退而引起的通缩，是否会引发其他问题，仍有待观察。
10.2 去中心化共识
在上一章中我们了解了区块链。可以将区块链看作一本记录所有交易的公开总帐簿（列表），比特币网络中的每个参与 者都把能接受区块链，把它看作一本证明所有权的权威记录。
但在不考虑相信任何人的情况下，比特币网络中的所有参与者如何达成对任意一个所有权的共识呢？所有的传统支付系 统都依赖于一个中心认证机构，依靠中心机构提供的结算服务来验证并处理所有的交易。比特币没有中心机构，几乎所 有的完整节点都有一份公共总帐的备份，这份总帐可以被视为权威记录。区块链并不是由一个中心机构创造的，它是由比特币网络中的所有节点各自独立竞争完成的。换句话说比特币网络中的所有节点，依靠着节点间的不稳定的网络连接所传输的信息，最终得出同样的结果并维护了同一个公共总帐。这一章将介绍比特币网络不依靠中心机构而达成共识的机制。
中本聪的主要发明就是这种去中心化的自发共识（emergent consensus）机制。这种自发，是指没有经过明确选举或者没有固定达成的共识的时间。换句话说，共识是数以千计的独立节点遵守了简单的规则通过异步交互自发形成的产物。所有的比特币属性，包括货币、交易、支付以及不依靠中心机构和信任的安全模型等都依赖于这个发明。
比特币的去中心化共识由所有网络节点的4种独立过程相互作用而产生：
▷ 每个全节点依据综合标准对每个交易进行独立验证
▷ 通过完成工作量证明算法的验算，挖矿节点将交易记录独立打包进新区块
▷ 每个节点独立的对新区块进行校验并组装进区块链
▷ 每个节点对区块链进行独立选择，在工作量证明机制下选择累计工作量最大的区块链
在接下来的几节中，我们将审视这些过程，了解它们之间如何相互作用并达成全网的自发共识，从而使任意节点组合出 它自己的权威、可信、公开的总帐副本。
10.3 交易的独立校验
在第6章交易中，我们知道了钱包软件通过收集UTXO、提供正确的解锁脚本、构造支付给接收者的输出这一系列的方式来创建交易。产生的交易随后将被发送到比特币网络临近的节点，从而使得该交易能够在整个比特币网络中传播。
然而，在交易传递到临近的节点前，每一个收到交易的比特币节点将会首先验证该交易，这将确保只有有效的交易才会 在网络中传播，而无效的交易将会在第一个节点处被废弃。
每一个节点在校验每一笔交易时，都需要对照一个长长的标准列表：
▷交易的语法和数据结构必须正确。
▷输入与输出列表都不能为空。
▷交易的字节大小是小于 MAX_BLOCK_SIZE 的。
▷每一个输出值，以及总量，必须在规定值的范围内 （小于2,100万个币，大于0）。
▷没有哈希等于0，N等于-1的输入（coinbase交易不应当被中继）。
▷nLockTime是小于或等于 INT_MAX 的。或者nLocktime and nSequence的值满足MedianTimePast（译者注：MedianTime是这个块的前面11个块按照block time排序后的中间时间）
▷交易的字节大小是大于或等于100的。
▷交易中的签名数量(SIGOPS) 应小于签名操作数量上限。
▷解锁脚本（ scriptSig ）只能够将数字压入栈中，并且锁定脚本（ scriptPubkey ）必须要符合isStandard的格式 （该格式将会拒绝非标准交易）。
▷池中或位于主分支区块中的一个匹配交易必须是存在的。
▷对于每一个输入，引用的输出是必须存在的，并且没有被花费。
▷对于每一个输入，如果引用的输出存在于池中任何别的交易中（译者注：这笔输入引用的输出有人家自己的输入，不是你），该交易将被拒绝。
▷对于每一个输入，在主分支和交易池中寻找引用的输出交易。如果输出交易缺少任何一个输入，该交易将成为一个孤 立的交易。如果与其匹配的交易还没有出现在池中，那么将被加入到孤立交易池中。
▷对于每一个输入，如果引用的输出交易是一个coinbase输出，该输入必须至少获得 COINBASE_MATURITY (100)个确认。
▷使用引用的输出交易获得输入值，并检查每一个输入值和总值是否在规定值的范围内 （小于2100万个币，大于0）。
▷如果输入值的总和小于输出值的总和，交易将被中止。
▷如果交易费用太低以至于无法进入一个空的区块，交易将被拒绝。
▷每一个输入的解锁脚本必须依据相应输出的锁定脚本来验证。
这些条件能够在比特币标准客户端下的 AcceptToMemoryPool 、 CheckTransaction 和 CheckInputs 函数中获得更详细的阐述。 请注意，这些条件会随着时间发生变化，为了处理新型拒绝服务攻击，有时候也为交易类型多样化而放宽规则。
在收到交易后，，每一个节点都会在全网广播前对这些交易进行独立校验，并以接收时的相应顺序，为有效的新交易建立一个验证池（还未确认），这个池可以叫做交易池，或者memory pool或者mempool。
10.4 挖矿节点
在比特币网络中，一些节点被称为专业节点矿工。第1章中，我们介绍了Jing，在中国上海的计算机工程专业学生，他 就是一位矿工。Jing通过矿机挖矿获得比特币，矿机是专门设计用于挖比特币的计算机硬件系统。Jing的这台专业挖矿设备连接着一个运行完整比特币节点的服务器。与Jing不同，一些矿工是在没有完整节点的条件下进行挖矿，正如我们 在“矿池”一节中所述的。与其他任一完整节点相同，Jing的节点在比特币网络中进行接收和传播未确认交易记录。然而，Jing的节点也能够把这些交易记录打包进入一个新区块。
同其他节点一样，Jing的节点时刻监听着传播到比特币网络的新区块。而这些新加入的区块对挖矿节点有着特殊的意 义。矿工间的竞争以新区块的传播而结束，如同宣布谁是最后的赢家。对于矿工们来说，收到一个新区块进行验证意味着别人已经赢了，而自己则输了这场竞争。然而，一轮竞争的结束也代表着下一轮竞争的开始。新区块并不仅仅是象征着竞赛结束的方格旗；它也是下一个区块竞赛的发令枪。
本章完。
参考内容：
1、本文部分内容摘自《精通比特币》第一版中译本，特此说明并致谢。
我正在发起“和我一起研读《精通比特币第二版》”活动。
我声明，这不是讲课，是讨论，是研读学习，所以需要你的加入，更需要你的参与。
我把这种学习方式作为一次认知学习法[注]的实践。
我希望大家可以和我一起通过将认知学习法与《精通比特币第二版》的研读结合起来，尝试总结出一套可行的区块链知识技能快速入门的方法。
尝试，反思，总结，生成以及组合进行的实践、检验并逐步迭代升级，这是我们的经历也是我们的结果。
这个结果也将成为我们大家一起合作编写的一本书《认知学习比特币》的雏形（所有有价值的讨论都将成为这本书的素材）。
我更希望大家通过本次认知学习方法论的实践以及迭代升级，将这种经过实践的学习方法迁移到更多领域的学习中。
所以希望我们携手走入第二季，第三季......
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