平等挖礦之一：計算與存儲之爭-ODAILY_POW:etainpower

過去10年的比特幣挖礦是一場算力的軍備競賽：解決反向SHA256哈希函數難題是一個很容易進行優化的目標，游戲很快就從在CPU上運行發展到在GPU上運行，進而轉移到在專門設計的ASIC上運行，甚至采用礦池的技術。挖礦因消耗大量電力，令礦工們尋找有廉價電力的地方來進行采礦作業。這些都明顯在挑戰Satoshi的“一CPU一票”基本原則。也就是說，使用專用硬件和廉價電力的軍備競賽最終推翻了挖礦的平等原則，使比特幣采礦傾向于集中。

主講嘉賓：朱江博士

主持人：ClaireWu

Claire:大家好！我是今晚的主持人Claire,今晚主講嘉賓朱江博士將會為大家帶來一個非常硬核的主題分享：公平挖礦之一：計算與存儲之爭。

就公平挖礦這個題目，在發起了熱烈的討論，我把大家的觀點在這里總結一下供主講嘉賓參考:

火星狐貍哥?:先解釋一下，怎么分配才公平？

EvanLiu?:需要先定義“公平”。“公平”是一個主觀價值判斷，而主觀價值判斷是因人而異的。所以，不存在普世價值意義上的一致定義。因此，個人認為無法實現一個全局的“公平”的挖礦，而任何所謂“公平挖礦”，都應該可以借用《1984》里的那句話來隱喻：所有的動物都是平等的，但是有一些動物比其他動物更平等。

云海?:規則保證了公平，礦機并沒有優先級一說，都平等，因為總算力及難度都極高所以也并沒有所謂超級礦機存在，保證了公平性。

SHAN:?贊同EvanLiu的觀點。對于一輩子都買不起礦機的西部農民，POW公不公平一點都不重要。

老田?:公平，對所有參與者規則一樣，就是公平。難得是公正。

牛虻?:感覺挖礦這種事情，應該很難公平。不管是POW，還是POS，首先還是要有硬實力。只能說對有一定基礎實力的礦工公平吧。

Justin?:挖礦本來是個人人可以記賬的事，現在都是大型礦場，礦池，變得中心化了，有些寡頭壟斷，背離中本聰去中心化的初衷了，感覺需要改進改進。而且吧，雖然有云挖礦、礦機托管，但是那不還得讓礦場、礦池扒層皮，管理費他們定，賣算力的價格也是他們定，挖礦收益被算的明明白白。。。哈哈哈，以前了解過一些挖礦的事情，但是不知道現在有沒有針對過于中心化改善的模式，還請懂的大神講一講。其實挖礦發展到現在，已經不是當初設想的那樣人人能挖礦。不知道當初有沒有想到過這種結果。而且，雖說BTC是POW，但是爆塊的永遠是那么十幾家家礦池，反倒是像EOS的DPOS了。

PiNetwork早期探索者?:項目方出來的項目，人人都必須挖幣才可以得到，，沒有空投！沒有代數沒有層級！而且都是相互貢獻價值。

王成偉:?沒有空投幣，你覺得有人愿意不為回報的做這樣的項目？

牛虻?:不可能人人平等的，每個人的能力和實力不一樣。對項目的投入程度也不一樣。

PiNetwork早期探索者:?沒有空投，那就是邀請和被邀請的關系，而且是相互貢獻價值！只要有一方不挖相互的挖礦都會減少！

關糊糊:我認為挖礦的公平就是包容性更強，參與的人會多，網絡價值就值錢也更安全。

Coinbase首席執行官：加密貨幣為每個人創造財富流動性和更平等的機會:狗狗幣聯合創始人Jackson Palmer最近發推表示，加密貨幣行業被富人壟斷，因此不會回歸加密貨幣。他認為加密貨幣本質上是一種右翼的超級資本主義技術，其主要目的是通過避稅、監管減少和人為強制的稀缺相結合，放大其支持者的財富。

對此，Coinbase首席執行官Brain Armstrong表示支持加密貨幣，稱比特幣讓“許多人變得富有”，并表示，“加密貨幣并不能解決財富不平等的問題——它并不是要為每個人創造相同的結果。但它確實為每個人創造了財富流動性和更平等的機會。至少在某種程度上，它使競爭環境變得公平。”（Cryptobriefing）[2021/7/16 0:57:58]

小米鴿子:礦機在托管中心被盜怎么辦呢？

魏洪貴:關于公平，這幅漫畫在不同領域引用過，也爭議過。

Claire:非常感謝參與討論和提出問題的魔笛手群友們。現在我來介紹一下今晚的主講嘉賓朱江博士。

在朱江博士的簡介里面，隱隱感受到他身上閃閃發亮的光環，從國內到國外，就讀的都是大名鼎鼎，歷史悠久的名校，他之前從事的行業也是目前最熱門的。我看過朱博士之前的文章，寫得深入淺出，非常親民，小白都可以大致明白他想要闡述的內容進而啟發思考和提出問題。

回到今天的題目:平等挖礦。毋容置疑，比特幣挖礦已經取得了巨大的成功并為比特幣網絡的安全提供了保障。最新公布的胡潤百富榜上，有5位新晉的入榜者來自挖礦行業。然而，今時今日，普通人已經無法擠進這個荊棘滿途卻可以贏取暴利的行業。普通人如何才能躋身于這場競賽中獲得更多機會呢？今晚，帶著魔笛手群友們提出的所有問題，我們請來朱江博士為大家闡述一個我們都非常關心的問題:

『平等挖礦之一：計算與存儲之爭』

有請朱江博士……

朱江：謝謝主持人Claire的邀請和介紹。

大家好，我是朱江，Soteria的創始人。感謝大家來參加我們今天這次線上分享。今天跟大家來聊一下挖礦的問題。我是技術宅男，但是我會盡量用通俗易懂的語言和例子跟大家一起討論啊。我保證不用數學公式，即是出現了的話，也是小升初入學考試大綱的范圍，大家可以放心。

我們先從挖礦的原理談起，然后我會討論如何才能做到公平，最后時間允許的話我們會結合SoteriaDAG的包容特性，介紹一下我們是如何解決平等挖礦這個問題的。當然時間總是過的很快，萬一來不及，那就敬請大家期待我們后邊會就同主題而發布的文章或者關注一下我們的https://github.com/soteria-dag/soterd

讓我們先簡單的回顧一下區塊鏈系統里PoW挖礦的機制。PoW挖礦的本質其實就是一個有著如下四個重要特性的計算難題的游戲：

1.求解過程非常困難

2.核實過程非常簡單

3.題目本身需要和某些文字消息綁定

4.題目是隨機生成的而且難度可以按需調整

動態 | 風投公司a16z回應Facebook Libra治理問題：任何節點都將是平等的:據fortune消息，風投公司Andreessen Horowitz（a16z）發言表示：任何節點在Libra的治理問題上都將是平等的。與Andreessen一起，PayPal、Coinbase、Visa和MasterCard也是Libra協會的一部分，所有成員一同負責對Libra代幣的監督。 前司法部檢察官Haun表示，該協會面臨的挑戰是推動項目的發展，以促進創新，同時保護消費者。例如，若法院要求Libra追蹤用戶身份，協會應該如何應對等。[2019/6/21]

在比特幣網絡里這個數字難題被設計成”解決反向SHA256哈希函數“：在挖礦過程中，礦工將比特幣的80個字節長度的區塊頭數據進行兩次SHA256運算，運算結果就是一個256位長度的字符串。通過比較與當前難度值的大小判斷當前區塊是否合法。即滿足下列條件：

SHA256(SHA256(block_header))<difficulty

看看公式來了，很簡單吧。這是今天唯一的公式哦～

如果不滿足上面的條件，則需要在區塊頭中改變一下隨機值，這樣就能改變區塊頭的數據，從而找到滿足條件的區塊。這就是PoW機制的精髓所在：使用單向函數，并且借助獎勵機制，鼓勵礦工不斷地嘗試隨機數找到符合條件的區塊以完成一定的計算量，以不斷保障系統的安全穩定。

接下來我們討論一下共識和網絡傳輸的問題：按照上邊說的PoW挖礦的方法，假設你找到了這個滿足條件的解，可是怎么才能確定你挖出來的這個塊兒是有效的呢？這個就是區塊鏈的另一個基本點：異步共識。具體協議大家都仔細研究過，我就不在這里再啰嗦了。但是我可以給大家個很感性的認識，有助于理解我們后邊要討論的內容。

具體是這樣的啊：POW的安全的基礎，是建立在個人算力不超過全網算力的50%這一基礎上的。而潛在的必要條件是任何節點要和網絡其他節點公平競爭。這就跟賽跑一樣，大家得一起起跑才行。而區塊鏈系統是個異步系統，POW的安全性只有系統狀態就近同步的情況下才能保證。

POW挖礦獎勵其實有一個重要原則就是獎勵礦工們盡快的把自己挖出來的區塊廣播出去，被網絡接收；同時在使勁的接收從網絡傳回來的其他區塊，而不是把算力浪費在成不了氣候的鏈上(最長鏈原則)。這進進出出(TX/RX)其實本質是利用礦工在系統框架下的自然行為保證了網絡的同步。

大家小時候上學的時候都是經常考試吧。那個時候老師會把卷子給第一排的童鞋，然后一個一個的從前往后傳。坐在最后一排的童鞋總是非常晚地拿到卷子。那么好了，如果拿到卷子的童鞋就開始做了，那最后一排的同學拿到卷子的時候，第一排的同學都開始做好久了，搞不好還做完了，這個不公平。

所以，老師要求每個同學拿到卷子的時候扣在課桌上，等到大家都拿到了，老師說“現在開始記時”，大家才能開始做。這就是公平競爭帶來的同步。來，我們看一下考場長什么樣：

這里邊有兩個變量：第一個是傳卷子的時間，第二個是做題目的時間。卷子可以是一張紙，也可以厚厚一沓。假設我們傳卷子必須要一張一張的傳，因為老師印卷子的時候是每一頁都印了全班的量。所以，傳卷子可以半分鐘就傳完了，也可以傳10分鐘都沒有全發完。同樣，題目也難可易，聰明的童鞋用計算器可以十分鐘就做完了，嚴謹的童鞋完全口算，也許要兩個小時才做完。

動態 | eToro推出區塊鏈解決方案應對財富不平等:據cointelegraph報道，根據11月7日的新聞稿，交易平臺eToro最近公布了由區塊鏈驅動的社會項目GoodDollar，以解決全球財富不平等問題。eToro已向該項目投入了100萬美元的資金，并正在尋求更多的合作伙伴加入該計劃。[2018/11/8]

你現在估計明白我為什么說發卷考試了。傳卷子就對應我們的區塊大小，題目的難度就對應我們的出塊時間。或者說是哈希的難度。小小的區別在于：在區塊系統里，沒有老師給大家喊“現在開始記時”；而是，童鞋們拿到考卷就開始做。

具體是這樣一個節奏：每一個新產生的區塊，網絡傳播的時間是半分鐘。每個礦工都是收到這個新塊驗證無誤了之后才開始在上邊挖礦。新區塊就像一份新的試卷，網絡傳播就是發卷。而這個卷子發給所有同學需要至少半分鐘，然鵝，每輪挖礦總有人比別的人早半分鐘拿到試卷。但是礦工覺得這其實也無所謂，首先，題挺難的，考試時間是十分鐘，晚拿到試卷半分鐘影響不太大；其次，和在教室里考試不一樣，大家的座次是隨機的而且經常在換，先拿到考卷的人每次都不一樣，所以也沒問題。

有些倒霉的礦工在TA挖出一個新塊的時候半分鐘在網絡另外一邊已經產生出來的新塊還沒有傳播到他這里。于是他的新塊就被無情的drop了，也就是變成了孤塊。TA的工作就也被無情的浪費了。不過這個沒辦法，設計就是贏者通吃，但是TA在客觀上其實對整個網絡的安全也做了貢獻。

本來說到這里我一般會繼續擴展到講擴容的問題，但是鑒于今天時間的關系，我們還是focus在挖礦這件事情上。有關擴容和SoteriaDAG的擴容方案，大家可以參考一下我們之前寫的一些技術文章：

『Soteria|區塊圖是中本聰共識突破發展瓶頸的關鍵技術(一)』

『JiangZhu|區塊圖是中本聰共識突破發展瓶頸的關鍵技術』

好，我們繼續研究挖礦這個任務。剛才我初略的提到過在考場里每個童鞋做題速度不一樣：有的童鞋完全靠口算，有的童鞋帶了計算器進場，更有夸張的同學帶了手機跟場外的家長實時通信，而家長那邊帶著全家每人一個計算器可以同時算N道計算題，甚至家人手里都不是計算器，而是靠云計算連接起來的量子計算機。

那么問題來了，有計算器的童鞋一定比口算的童鞋做題快，帶著手機坐擁十個計算器甚至量子計算機可以并行計算的童鞋們，那簡直就是逆天了：考卷剛發，后排同學還沒看到考卷他就做完了。

根據我們上面的分析，屆時教室里一定是一地雞毛，直接影響就是能源巨大的浪費，以及浪費導致的整個網絡的安全性的大幅下降。就算沒有安全攻擊，所有的交易手續費和挖礦的薪酬都因為“贏者通吃”這個游戲規則被這些“逆天”的同學拿走了，大家覺得公平嗎？

當然不公平了，而且是非常的不公平。其實，比特幣和其他PoW的區塊鏈項目都面臨著這樣一個不公平的問題。過去10年的比特幣挖礦其實就是是一場算力的軍備競賽：解決反向SHA256哈希函數難題是一個很容易進行優化的目標，游戲很快就從在CPU上運行發展到在GPU上運行，進而轉移到在專門設計的ASIC上運行，甚至采用礦池的技術。

挖礦業務的運行也消耗了大量的電力，這促使礦工們尋找有廉價電力的地方來進行采礦作業，例如靠近水力發電站。這些都明顯在挑戰Satoshi的“一CPU一票”基本原則。也就是說，使用專用硬件和廉價電力的軍備競賽最終推翻了挖礦的平等原則，使比特幣采礦傾向于集中。

聲音 | 上海法院：以太幣受法律平等保護:9月27日消息，上海市虹口區人民法院日前審理數字貨幣相關案件發表觀點稱，目前國家未認可以太幣等所謂“虛擬貨幣”的貨幣屬性，禁止其作為貨幣進行流通使用等金融活動，但并未否認以太幣可以作為一般法律意義上的財產受到法律的平等保護。[2018/9/27]

集中的直接結果就是壟斷，壟斷就可能導致整個系統的安全性受到嚴重的損害。先發個GPU的圖預熱一下:

然后我們回到最開始講的PoW挖礦的基礎。

PoW挖礦的反向SHA256哈希函數的難題其實是計算密集型的算法。我們先來看看這個算法在CPU和GPU環境下的情況。這個算法不需要特別多的內存。所以，對CPU而言，我們假設有4核，所有的數據都放在緩存或者SRAM里，空間可以忽略不計，但因為只有四核，就只能啟動四個進程。對GPU而言，一般有1000到3000個計算單元，于是我們可以啟動幾千個進程。當然每個進程的效率可能比不上CPU但總計效率提升幾百到幾千倍是完全沒有問題的。

然鵝可是以及但是。。。對于ASIC而言，一個內核中有幾千個門電路，可以在一個時鐘周期內，完成CPU、GPU需要幾千時鐘周期內完成的工作。差不多一個礦機的內核就頂的上一塊顯卡。所以ASIC的挖礦效率動輒就是CPU或者GPU百萬倍，不用ASIC基本沒有勝利的可能性了。

這里我稍微停一下，大家消化一下這些數字，看看這幾個情景的對比是多么的無奈。對于一輩子都買不起礦機的西部農民，我將是會多么的無語啊～好了，碰巧我們還是有情懷的，不能甘于這種不公，對吧。那我們設想一下，如果有一個神奇的算法，在整個計算過程中，需要使用1G內存，那么情況會如何呢？

對CPU來說，4核，保守一點裝上4G內存，最多也就同時開四個進程來計算。這里我們就不考慮虛擬內存了，因為實在太慢了，調度交換的過程還不夠折騰的呢。對GPU而言，再高端的顯卡也就幾個G的內存，假設4G，那我們也就是開四個進程同時計算。要是想把所有的計算單元都用上，我們得裝上4TB到12TB的SRAM，已經開始有點不太現實了。那ASIC的情況就更可怕了：對內存的要求再翻幾千倍甚至上萬倍。我再次的停頓一下，大家再消化一下這一批數字。作為西部農民的我，看到敵人花費如此多錢就為了挖個礦，心里是不是稍稍的好受一些呢？

鑒于這個分析，我們來看看處理器技術和內存技術的發展趨勢吧，主要目的是看看在可以預見的未來，是不是這類礦機可以恢復到之前讓我們無語的標準：

這個圖線講的很清楚的：從八十年帶以來，計算技術的革新完全在遵循著摩爾定律，每年的性能提升基本穩定在60%左右。可是你看到沒有，存儲技術卻只有每年7%的龜速在爬行。而且，這還僅僅是DRAM的提升率哦。所以來個計算密集型的算法，過幾年就變成在手機上也跑的飛快了，而且賊便宜。內存密集型的明顯就不太行，而且說了這個是DRAM的趨勢。由于DRAM存在刷新的問題，DRAM的延遲和帶寬都不太適合強算力的應用。這個問題應該在計算機組成與結構這門課里講過的，有興趣的童鞋可以讀讀這本教材。

V神在日本公開出席官方活動 希望以太坊能解決全球不平等問題:3月29日，以太坊開發者V神在東京大學本鄉校區公開出席官方活動，并進行演講，參與人數高達500余人。以太坊基金會的宮口綾表示：希望可以通過以太坊技術解決全球范圍內的不平等問題，并對日本國內培養以太坊工程師和社區運營等事宜給予期望。[2018/3/30]

挖礦不懂computerarchitecture不太ok的。不過我在斯坦福上這門課的時候，差點掛了。但不是我笨啊，是我英語不太好，哦不對，是Greek不太好，大牛Christos老師上課有Greek口音，我基本都沒聽懂。回到挖礦的內存問題，為了保證存儲訪問帶寬和延遲，我們只能采用SRAM。可是SRAM的性能和價格的進步就更加有限了。這個對游戲發燒友也許不是個好事，因為頂配的游戲機的價格不會下降很多。但是這個情況對公平挖礦會不會是個契機呢？

來我們推演一下：SRAM的性能價格比這么離譜，那么有沒有一種挖礦算法，TA必須使用真正足夠大的內存來計算？也就是說，新的挖礦算法不再是比CPU，比GPU，更不是比ASIC，而是比內存的大小和帶寬。因為我們上邊提到的內存技術進步的速度，這使得在挖礦軍備競賽的過程中，即使可以調動大規模的資源，也無法以幾萬或幾十萬倍的優勢在挖礦中占統治地位。那么好了，你再有錢也沒法把屌絲礦機給完全屏蔽下去。雖然不能做到絕對公平，但這無形中就客觀的提高了挖礦的公平性。這恰恰是我們挖礦和異步共識的的初衷，對吧。

那么我們來研究一下這一類的算法吧。這類算法除了要具有我們前邊提到的那四個必要特性以外，TA還要滿足如下幾個附加條件：

1.算法需要巨大的內存空間：太小的話，直接做在GPU或者ASIC上，最后又變成拼計算了，這個不公平。

2.對內存的訪問不可以預測：即使整個算法需要大內存，但內存訪問如果可以預測，多級緩存技術就可以大幅度減低系統對高性能高帶寬的內存的容量要求，第一條就不滿足了。

3.算法不可以存在時間復雜度和空間復雜度的轉換：如果你能用高性能計算來跟大內存兌換，也就是減少多高性能高帶寬內存容量的要求變小，那就又回到GPU和ASIC的軍備競賽了。

滿足如上這些條件的算法就被稱為"Memory-Hard/內存密集型算法”。而基于CuckooHash的CuckooCyclePoW算法則是一款不錯的Memory-Hard的算法。該算法在Grin項目中被成功的采用，Soteria的平等挖礦技術也是基于這個算法。

下面我們簡單的介紹一下這個算法的工作原理，如果時間還來的及的話，我會給大家預演一下公平挖礦在SoteriaDAG這個項目中的設計和實現。

我們先看一下CuckooCyclePow的必修課吧，今天我們來點數據結構講講HashTable和CuckooHash。HashTable大家一定都很熟悉，我們有個哈希函數Hash,TA可以把一個Key映射到一個線性表的某一個位置，這樣一個put操作就可以把一個KeyValuePair存到表里，如圖所示：

有碰撞的時候怎么辦呢？也就是兩個key都映射到同一個位置。那也沒關系，新來的就將就一下看看下一個位置是不是空的，如果空，就存在那個位置好了。如圖所示：

還有這張

查詢的時候同樣，用哈希函數找到相應的位置，如果Key是我們想查詢的key，找到了返回值就ok了。如果key不一樣，那只好看看下一個位置，如果key一樣就找到了。如果還不match就繼續下去，直到碰到空的位置或者遍歷了所有位置，也就是碰到邊界條件了。

這就是哈希表也就是hashtable的原理。cuckoohash是在hashtable的基礎上的一個躍進。不同的是TA引入了兩套hashfunctions和兩個線性表，每個函數對應一個線性表。同一個key可以在兩個表上各對應一個位置。如圖所示：

看，兩個函數對應兩個線性表。

添加操作和哈希表類似，把key映射到線性表的一個位置，因為有兩個表了，我們可以先隨便選一個表來放，比如用第一個哈希函數映射到第一個表的一個位置，如圖所示：

就這樣我們可以加載很多記錄到線性表里邊，如果其中一個表的映射位置有人了，那就用另外一套哈希函數去映射到另外一個表，然后加載在第二表的相應位置。然鵝，假設下一個加載的記錄，非常不幸，用兩個哈希函數映射出來的兩個表上的位置都正好已經有人了，這個時候怎么辦呢？

這個時候，我們新的記錄就會把已經在的人踢到另外一個表的相應位置上，那個位置則由相應表的哈希函數決定。如圖：

如果又不幸的碰到被踢到的地方又有人了，那就把那個位置上的人繼續踢到另一個表的位置。以此類推，直到把被踢的記錄安頓好，或者又碰到之前踢別人的那個記錄，形成環路為止。如圖所示：

現在大家知道為什么這個算法叫CuckooHash了吧。cuckoo其實就是布谷鳥，他們喜歡把自己的蛋產在別人的窩里，然后把別人的蛋踢出去。跟我們剛才描述的cuckoohash的加載算法還真的是神似呢。看看這個經典的圖：

我第三次停頓一下，大家消化一下這個算法的過程，這是非常重要的算法。后邊稍微燒腦了，不過絕對沒有公式，我們把加載和踢的路線在圖上表達出來就可以看到下邊這個有向的二分圖：

這個就是布谷鳥把別人家的蛋踢出去的路線圖。在這個二分圖里邊其實可能存在著一個子圖，這個子圖正好是一個環，就像我們之前說的，踢著踢著居然踢到自己呆的那個位子了。如下圖所示：

我們前邊提到的那個算法其實就是在一個隨機生成的一個二分圖里邊找一個特定長度的環狀結構。這個過程其實基本上是對內存的訪問和存取，完全符合我們之前提到的那幾個必要的特性：

1.算法需要巨大的內存空間：這個二分圖是很大的；

2.對內存的訪問不可以預測：這個圖本身是隨機生成的；

3.算法不可以存在時間復雜度和空間復雜度的轉換：找環路這個問題還真是不能換。

這個算法讓我們有可能在“公平挖礦”這個目標的方向往前近了一步。有很多設計和實現上的細節我們會在下一次分享中仔細討論。

我所在的城市在北加州這兩天由于惡劣的天氣導致大面積停電。給大家看一下停電的地圖吧。

我們會在下次的分享中著重介紹這個PoW算法的工作原理，并且給大家預演一下公平挖礦在SoteriaDAG這個項目中的設計和實現。今天的分享就先到這里吧，我這邊分分鐘會一片黑暗，抱歉沒有足夠的時間在線回答大家的問題了。不過沒關系，你們的所有問題都會被匯總，等我們這邊來電了，我們再會以文章的形式分別回答。另外后邊還會有更多的文字分享。我們馬上還會在我們的https://github.com/soteria-dag/soterd上發布挖礦更新。敬請期待，謝謝大家！

Claire:感謝朱博士為我們帶來了這么豐富的資訊。時間過得真快，又到今天主題分享的尾聲了。我相信大家還有很多問題或觀點，歡迎你們繼續在社區留言和討論，我們會收集給朱博士和Soteria團隊,他們會在適當的時候再和大家討論。再次感謝朱江博士在百忙之中為我們準備這么豐富的硬核資訊！我們下次再見。

朱江：謝謝大家!謝謝主持人Claire.

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