挖礦 (Mining) - 術語詞典

挖礦是比特幣網路的核心機制，礦工透過消耗計算資源（電力和硬體）來競爭創建新區塊。成功的礦工不僅獲得區塊獎勵和交易手續費，更重要的是為整個網路提供安全保障。

挖礦的本質

挖礦本質上是一場找數字的競賽：

目標：找到一個數字（Nonce），使得：
SHA256(SHA256(區塊頭)) < 目標值（Target）

區塊頭包含：
- 版本號（4 bytes）
- 前一區塊雜湊（32 bytes）
- Merkle 根（32 bytes）
- 時間戳（4 bytes）
- 難度目標（4 bytes）
- Nonce（4 bytes）

過程：
1. 組裝區塊頭
2. 嘗試 Nonce = 0, 1, 2, 3...
3. 計算雙重 SHA-256
4. 檢查結果是否小於目標
5. 找到有效值 → 廣播區塊
   找不到 → 修改其他參數，繼續嘗試

挖礦過程詳解

步驟一：收集交易

礦工從記憶池（mempool）選擇交易：

選擇標準：
1. 手續費率（sat/vB）高優先
2. 區塊大小限制（~4 MW）
3. 交易有效性驗證
4. 避免雙花交易

實際操作：
- 按費率排序
- 貪婪演算法填充區塊
- 預留 coinbase 交易空間

步驟二：構建區塊

Coinbase 交易（區塊第一筆）：
- 無輸入（prev_txid = 0x00...00）
- 輸出 = 區塊獎勵 + 手續費總和
- 可包含最多 100 bytes 任意資料

區塊結構：
[區塊頭]
[交易數量]
[Coinbase 交易]
[交易1]
[交易2]
...

步驟三：計算 Merkle 根

所有交易的 TXID 構建 Merkle Tree：

        Merkle Root
           /    \
        H(AB)   H(CD)
        /  \    /  \
       A    B  C    D
      (coinbase)(tx1)(tx2)(tx3)

任何交易變動 → Merkle 根變動 → 需要重新挖

步驟四：挖礦循環

while True:
    for nonce in range(0, 2**32):
        header = version + prev_hash + merkle_root + timestamp + bits + nonce
        hash_result = sha256(sha256(header))

        if hash_result < target:
            broadcast_block()
            return

    # Nonce 用盡，修改其他參數
    update_timestamp()
    # 或修改 coinbase 的 extraNonce
    update_merkle_root()

難度調整機制

目標：平均 10 分鐘一個區塊

調整週期：每 2016 個區塊（約 2 週）

調整公式：
新難度 = 舊難度 × (實際時間 / 目標時間)
新難度 = 舊難度 × (actual_time / 20160 分鐘)

限制：
- 最多調整 4 倍（防止極端波動）
- 向下調整也受限

難度與目標值

難度（Difficulty）：
- 相對於創世區塊的倍數
- 難度 1 = 最容易的目標

目標值（Target）：
- 256 位元數字
- 雜湊必須小於此值
- 難度越高 → 目標越小 → 越難找到

當前難度（2024）：約 80+ T
意味著：比最初難 80 兆倍

區塊獎勵

減半歷史

減半	區塊高度	日期	獎勵
創世	0	2009-01-03	50 BTC
第一次	210,000	2012-11-28	25 BTC
第二次	420,000	2016-07-09	12.5 BTC
第三次	630,000	2020-05-11	6.25 BTC
第四次	840,000	2024-04-20	3.125 BTC
第五次	1,050,000	~2028	1.5625 BTC

獎勵組成

礦工收入 = 區塊獎勵 + 交易手續費

目前（2024）：
區塊獎勵：3.125 BTC（約 $200k）
手續費：0.1-1+ BTC（依網路擁堵）

未來趨勢：
- 區塊獎勵持續減半
- 手續費佔比逐漸增加
- 約 2140 年獎勵歸零

挖礦硬體演進

發展歷程

時期	硬體	效率（H/J）	特點
2009-2010	CPU	~0.01 MH/J	任何電腦可參與
2010-2013	GPU	~1 MH/J	顯卡並行計算
2011-2013	FPGA	~10 MH/J	可編程硬體
2013-今	ASIC	~100+ TH/J	專用晶片

現代 ASIC 礦機

型號	算力	功耗	效率
Antminer S21	200 TH/s	3500W	17.5 J/TH
Whatsminer M60	186 TH/s	3422W	18.4 J/TH
Avalon A1466	150 TH/s	3400W	22.7 J/TH

效率計算：
J/TH = 焦耳每兆雜湊
數字越小 = 效率越高
最新礦機：~17-20 J/TH

礦池

為什麼需要礦池？

個人挖礦的問題：

假設你有 100 TH/s 算力：
全網算力：~500 EH/s
你的佔比：100 TH / 500 EH = 0.00002%
平均出塊時間：500,000 ÷ 0.00002 = 25 億分鐘 ≈ 4750 年

結論：個人挖礦收益極不穩定

礦池運作原理

礦池架構：

       礦池伺服器
      /    |    \
   礦工A  礦工B  礦工C

1. 礦池分配「簡單任務」給礦工
2. 礦工提交「shares」（低難度證明）
3. 礦池記錄每人貢獻
4. 有人找到有效區塊時
5. 按貢獻比例分配獎勵

分配方式

方式	說明	風險
PPS	按 share 立即支付	礦池承擔波動
PPLNS	按最近 N shares 分配	礦工承擔波動
FPPS	PPS + 手續費分配	礦池承擔，收益最穩

主要礦池（2024）

礦池	市佔率	特點
Foundry USA	~30%	北美最大
AntPool	~20%	Bitmain 運營
F2Pool	~15%	老牌礦池
ViaBTC	~10%	支援多幣種
Binance Pool	~8%	交易所礦池

挖礦經濟學

成本結構

挖礦成本 = 硬體成本 + 電費 + 運營成本

硬體成本：
- ASIC 礦機：$2,000-10,000
- 使用壽命：2-4 年
- 折舊：每月攤提

電費：
- 最大成本項目
- 工業電價：$0.03-0.08/kWh
- 住宅電價：$0.10-0.30/kWh

運營成本：
- 場地租金
- 冷卻系統
- 維護人員

盈虧平衡

計算公式：

日收入 = (你的算力 / 全網算力) × 日產出 BTC × BTC 價格
日成本 = 功耗(kW) × 24 × 電價

盈虧平衡電價 = 日收入 / (功耗 × 24)

範例（S21 礦機）：
算力：200 TH/s
功耗：3.5 kW
假設 BTC = $60,000

日收入 ≈ 0.00025 BTC ≈ $15
盈虧平衡電價 ≈ $15 / (3.5 × 24) ≈ $0.18/kWh

挖礦的環境影響

能源消耗

比特幣網路年耗電量（2024 估計）：
~150-200 TWh/年

對比：
- 相當於一個中型國家
- 全球黃金開採的 ~50%
- 全球銀行系統的 ~25%

可再生能源

趨勢：
- 礦工傾向低電價地區
- 水電、風電、太陽能
- 廢棄天然氣發電
- 能源套利

估計可再生能源佔比：~50-60%

挖礦攻擊

51% 攻擊

如果攻擊者控制 >50% 算力：

可以做：
- 雙花自己的交易
- 阻止某些交易確認
- 空塊攻擊

不能做：
- 偷取他人的幣
- 改變共識規則
- 創造無中生有的幣

現實：
- 成本極高（數十億美元硬體 + 電力）
- 攻擊後 BTC 價格崩跌
- 經濟上不理性

自私挖礦

策略：
1. 找到區塊後不立即廣播
2. 繼續私下挖掘
3. 在適當時機釋出
4. 浪費誠實礦工的算力

防禦：
- 需要 >33% 算力才有優勢
- 協議改進（如時間戳檢查）
- 礦池監控

開發者資源

Bitcoin Core 相關

# 獲取挖礦資訊
bitcoin-cli getmininginfo

# 獲取區塊模板
bitcoin-cli getblocktemplate '{"rules": ["segwit"]}'

# 提交新區塊
bitcoin-cli submitblock <hexdata>

Stratum 協議

礦機與礦池通訊協議：

mining.subscribe    # 訂閱任務
mining.authorize    # 認證
mining.notify       # 新任務通知
mining.submit       # 提交 share

Stratum V2 改進：
- 更好的加密
- 礦工可選擇交易
- 減少頻寬使用

挖礦的本質

挖礦過程詳解

步驟一：收集交易

步驟二：構建區塊

步驟三：計算 Merkle 根

步驟四：挖礦循環

難度調整機制

目標：平均 10 分鐘一個區塊

難度與目標值

區塊獎勵

減半歷史

獎勵組成

挖礦硬體演進

發展歷程

現代 ASIC 礦機

礦池

為什麼需要礦池？

礦池運作原理

分配方式

主要礦池（2024）

挖礦經濟學

成本結構

盈虧平衡

挖礦的環境影響

能源消耗

可再生能源

挖礦攻擊

51% 攻擊

自私挖礦

開發者資源

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Stratum 協議

未來展望

挑戰

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