撰文：Karim Helmy&Coin Metrics团队

摘要

• 区块奖励是目前矿工的主要收入来源。由于减半带来的区块奖励减少会导致一部分矿工退出网络，短期内，矿工的突然减少可能会使网络更容易受到 51% 攻击等安全威胁。
• 网络算力在不同类型的挖矿硬件之间的分布也会影响网络的安全属性。二级市场上的旧挖矿硬件的可用性对网络构成了潜在的威胁。
• 涉及 nonce 分布的新技术允许我们以数字方式来估计某些类型的挖矿硬件向比特币网络提供了多少算力，包括像 S7 和 S9 这样较旧的硬件。
• 现在看来，似乎之前曾大量离线的 S9 硬件已经重新启用。目前，蚂蚁矿机 S9 系列矿机占据了比特币算力大约 32% 的份额。
• 虽然 S9 矿机所产生的算力远不足以对比特币网络发起 51% 攻击，但它们的存在对网络安全动态带来的变化是很显著的。

减半快乐

5月11日发生了比特币历史上的第三次减半，即每个区块新发行的比特币数量减半。减半每隔21万个区块发生一次，即大约4年，直到比特币发行量最终降至零。

在最近的减半中，区块奖励从 12.5 BTC 降到 6.25 BTC。在减半之前的这段时间，市场波动明显，自减半后波动性有所回落。减半事件对比特币网络安全的影响是微妙的。

区块奖励目前是矿工的主要收入来源，因此奖励的减少会导致一些矿工退出网络。由于可供分配的奖励收入越来越少，利润率越来越低，效率较低的矿工可能会突然发现自己处于亏损状态。从长远来看，随着市场重新平衡，这些矿工通常会被更高效的挖矿作业取代。但在短期内，矿工的突然减少可能会使该网络更容易遭受 51% 攻击等安全威胁。

此前我们在之前的文章中分析了减半对矿工经济的影响。本文将探讨类似的主题，重点讨论减半对网络安全性的影响和运行旧挖矿硬件的经济性。在这个过程中，我们将使用 nounce 数据来估计当前比特币网络中的某些类型的挖矿硬件的流行程度，并讨论旧挖矿硬件的存在如何影响比特币的安全模型。

减半与网络安全

比特币矿工通过两种方式获得补偿：一是区块奖励 (直接受到减半的影响)；二是交易费。交易费通常是与区块空间的需求成正比，因此在网络拥塞和高流量期间交易费往往会增加。

目前，交易费仅占矿工总收入的一小部分。在过去5年，只有大约 4.4% 的矿工收入来自于交易费。

上图：交易费占矿工每日收入的百分比变化趋势，图源：Coin Metrics

由于比特币的区块奖励大约每四年就会减半，为了充分激励矿工保护比特币网络的安全，交易费将需要增加。在邻近此次减半之前，交易费已经上升至占矿工总收入的约17%；虽然区块奖励的减少已经增强了交易费的影响，但减半后交易费本身已经上升至近一年来的最高水平。

交易费的增加可能被自减半以来网络算力的降低所放大。网络算力的降低是由离开网络的效率较低的矿工造成的。算力的下降已经增加了比特币网络的出块时间，因此减少了可用的区块空间的数量。

为了减少支出，矿工通常会聚集起来组成矿池 (mining pool)，矿池是由某个运营商组织起来的松散矿工联盟，通常根据矿工贡献的算力来共享挖矿收益。个体矿工通常会根据一些因素在不同的矿池之间切换，最明显的因素就是运营商收取的手续费。

只要单个恶意实体没有控制比特币50%以上的算力，那么比特币网络就是安全的。在一种称为 51% 攻击 的过程中，控制了50%以上的网络算力的攻击者可以审查交易并执行双重花费。

为了对网络发起 51% 攻击，攻击者需要串通起来的最少矿池数量被称为“Nakamoto系数” (Nakamoto coefficient)。撰文时，算力靠前的四大矿池将需要串谋起来才能对比特币网络发起 51% 攻击。在比特币的历史进程中，这一数字 (即发起51%攻击时需要串谋起来的矿池数量) 总体呈现上升趋势，这表明比特币网络的去中心化趋势在稳步增强。

“Nakamoto 系数”并不是一个完美的衡量标准，并使得比特币看起来比实际情况更加中心化。面临巨额预付费用 (比如前期投入的挖矿硬件费用) 的个体矿工并不愿意攻击网络，这些矿工很可能会从一个恶意运行的矿池中叛逃 (即选择不对网络发起攻击)。

尽管如此，矿池还是会选择其成员矿工需要挖掘的区块，并对成员矿工进行一定程度的控制 (除非矿工叛逃)。攻击者还可能通过诸如“羽毛分叉 (feather forking)”之类的技术，用不到50%的算力来审查网络中的交易。因此，通过“Nakamoto系数”这样虽不完美的指标来量化矿工的集中性程度是很有用的。

Stratum V2 协议是Betterhash 的第二代 Stratum协议实现，对最初的 Stratum协议进行了修改 (备注：Stratum协议是目前最常用的矿机和矿池之间的 TCP 通讯协议)。该实现建议让个体矿工来选择他们要挖掘的区块，而不是让矿池运营商来选择。这种对矿池的运营方式的潜在改进将使更多的权力掌握在个体矿工手中，进一步增加网络的去中心化。

除了网络的算力分布在不同的矿池实体之外，算力在不同类型的挖矿硬件的分布也对网络的安全属性产生重要的影响。

强化挖矿硬件

为了向区块链中添加一个区块，比特币矿工需要试图找到一个 nonce 值，这个值需要使运算得出的区块头 (block header) 的哈希小于某个特定的 Target 值 (即在对区块头进行哈希运算时，通过不断修改 nonce 值，直至运算得出的区块头哈希值小于 Target 值。比特币协议会对 Target 值每两周调整一次，以此来调整网络的挖矿难度)。

计算和验证区块头哈希值的速率被称为哈希率 (算力)，满足这个条件的 nonce 值被称为“golden nonce” 。区块头的哈希值必须满足的阈值 (即 Target 值) 是由网络的挖矿难度参数设置的，该参数会根据网络的出块率来周期性地进行调整。

虽然比特币挖矿最初是通过 CPU 进行的，但挖矿过程通过 GPU 得以并行化并使挖矿在早期变得更加高效。而在今天，几乎所有的挖矿都是使用包含了所谓的 ASIC 专用芯片来进行的。与其他挖矿设备相比，这些 ASIC 设备的运行速度更快，并行性更好，且更节能。

购买这些设备需要大量的前期资本支出。这有利于网络的安全，因为这要求矿工将资本锁定在非流动性资产 (挖矿设备) 上，从而抑制了他们的恶意行为。

但旧的挖矿硬件的存在改变了这种安全模型，因为这倾向于要求更少的前期资本投入 (旧设备更便宜)，虽然会存在更高的运营成本 (如电费等，旧设备耗能往往更高)。尽管除了硬件成本外，开办矿场还有其他实际和后勤方面的成本，但旧硬件的存在使得进入挖矿市场大大减少了资本资产。

由于挖矿行业的保密性，通常很难辨别哪些类型的挖矿硬件正被用于保护比特币网络。然而，新技术允许我们以数字的方式来估计某些挖矿硬件贡献的算力份额。

比特币的 nonce 值分布 (见下图) 向我们提示了被用于在网络中挖矿的硬件类型。通过将这些数据与二级市场上的硬件价格信息结合起来，我们可以对价格低廉、略微过时的硬件所带来的风险程度进行量化。有关我们对比特币 nonce 分布的分析的详细说明，请参阅我们的“The Signal and the Nonce”系列文章第一部分和第二部分。

在上图的左侧附近，nonce 值集中在分布图中较低处范围。这是 CPU 挖矿时代矿工使用的随机抽样技术 (以找出正确的 nonce 值) 的结果，其中涉及到从0开始不断向上递增来测试 nonce 值。[备注：抽样也即挖矿设备不断修改 nonce 值直至运算得出的区块头哈希值小于 Target 值]

上图还显示，比特币的 nonce 值分布也有条纹图案，最早出现在2015年末，最近已经开始消退。这些条纹一开始很宽，然后突然变窄，然后再逐渐消失。图中显示了四条不同的条纹，每一条都可以通过其宽窄来指定。

我们发现，这些条纹来源于比特大陆的 Antminer S7 和 S9 系列矿机对 nonce 值进行的抽样。这些矿机的每一台都曾是比特币网络中的主要矿机，而 S9 最近已经被 Antminer S17 矿机取代。

条纹的宽窄分别是归因于 S7 和 S9 系列矿机使用的抽样技术。我们可以利用这一知识对S7 和 S9 提供的网络算力占比进行数值估计。

上图：比特币各类挖矿硬件提供的算力占比(%)，绿线表示 S7 系列矿机提供的网络算力占比变化趋势，橙线表示 S9 矿机提供的网络算力占比变化趋势，黑线表示其他类型的矿机提供的算力占比变化趋势。

根据上图这些数字估计：

• S7 及相关的硬件提供的算力比例在2016年5月份达到峰值 (约61%)。当前，S7 并仅提供了很小一部分的算力。
• S9 及相关的硬件提供的算力比例在 2018 年5月份达到峰值 (约78%)。当前，S9 系列矿机只提供了大约 32% 的算力 (即大约 32% 的区块是由 S9 系列矿机挖出的)。

这些数字与对这些类型设备提供的算力的估计是一致的：CoinShares 在2019年12月发布的一份关于比特币挖矿的报告估计，在同类硬件中，S9 矿机提供的算力占到了约三分之二；今年3月份，北京的 Spark Capital 创始人预计，S9 矿机提供了20%-25%的比特币网络算力。

每种类型的挖矿硬件所提供的算力占比为我们提供了有关旧硬件对网络安全构成的威胁的进一步 视角。

上图：各类比特币挖矿硬件提供的算力 (EH/s)，绿线表示 S7 系列矿机提供的网络算力的变化趋势，橙线表示 S9 矿机提供的网络算力的变化趋势，黑线表示其他类型的矿机提供的算力的变化趋势。最顶部的虚线表示比特币网络的总算力的变化趋势。

上图中最突出的就是保护比特币网络的总算力 (浅蓝色虚线) 呈现指数级增长。

S9 系列矿机提供的算力在2019年8月份达到峰值，当时它们产生的算力大约是 52 EH/s。2020 年2月份，S9 矿机估计产生的算力以大约 21 EH/s 达到谷底。

现在，可能是由于比特币最近的升值，大量曾经离线的 S9 硬件被重新启用。这个硬件现在大约的算力是 37 EH/s。

由于市场条件的迅速变化，这种影响可能无法持续。但是，这说明了在有利的条件下使用旧硬件进行挖矿的可行性，以及部署这种较便宜的硬件的方便性。

S9 矿机在二级市场上的售价仅为其零售价的一小部分：这些矿机的售价在20至80美元之间，而原价约为 3000 美元。考虑到当前的经济环境和中国雨季带来的廉价电力，矿工们发现这些设备是有可能盈利的。

虽然离线重启的 S9 矿机所产生的算力远不足以对比特币发起 51% 攻击，但它们的存在确实对网络的安全性动态变化意义重大。

而使用比特币 PoW 算法的其他区块链平台，包括比特币现金 (BCH) 和比特币SV (BSV)，可能会更强烈地感受到这种影响。目前，BSV 的网络算力约为 2.5 EH/s，而 BSV 的网络算力约为 1.8 EH/s.

减半后的比特币网络状态

由于预期比特币会减半，以及机构投资者兴趣的增加带来了乐观情绪，比特币的价格大幅上涨。自减半以来，比特币波动性有所下降，价格继续呈上升趋势。减半还加速了交易费用的增长，并导致网络算力略有下降。

与比特币减半相关的情绪将继续影响市场，而减半本身也将继续考验比特币能否成功转型为这种一种模式，即矿工的收入主要取决于费用。减半的长期影响尚待观察，但其对挖矿经济和整个市场的影响已十分明显。

网络算力方面，比特币的哈希率在减半后已经降至 81.66 EH/s，比减半前的高点下降了40%。随着效率较低的矿工退出网络，哈希率将会下降。经过一段时期的动荡后，高效率的矿工将取代效率较低的挖矿作业，比特币算力可能会复苏。然而，目前还不清楚这种更替周期将持续多久。

上图：比特币网络算力变化趋势，图中虚线为第三次减半分割线。图源：Coin Metrics

出块时间方面，由于哈希率的下降，比特币的出块时间已经上升到2018年末以来的最高水平 (不包括2020年3月12日左右，当时由于比特币价格的突然下跌和随后的哈希率的下降，这段时间的出块间隔时间急剧增加)。

交易费方面，由于生产的区块少了，对区块空间的竞争就更激烈了，这导致了交易费用的增加。支付更高的交易费用会带来矿工将交易打包进一个区块中的几率更高。因此，平均交易费用往往会在区块空间溢价时期飙升。

5月14日，比特币的平均交易费用达到了 2.88 美元，这是自2019年6月以来的最高水平。同样，5月14日，以太坊的平均交易费用中值达到了0.25美元，这是自2018年8月以来的最高水平。当交易区相对饱和时，交易费用中值往往会飙升。

上图：比特币出块间隔时间 (7天平均数)，图源：Coin Metrics

区块大小方面，减半后，挖出的区块数量的减少也导致了每个区块大小的增加。5月17日，比特币的平均区块大小达到了 1.32 MB 的历史新高。见下图：

自比特币减半以来，以太坊网络的平均交易费用也显示出增长的迹象。然而，比特币现金(BCH)、比特币SV (BSV)、Ripple (XRP) 和 Litecoin (LTC) 的交易费用并没有显著增长。见下图：

上图：各大区块链网络在比特币减半前后的平均交易费用变化趋势。图源：Coin Metrics

对于减半后的比特币将迎来怎样的趋势，你有什么想说的？欢迎在评论区发表你的见解！

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