8.BTC-挖矿-北大肖臻老师客堂笔记

这段视频是《区块链技术与应用》第 08 讲"BTC 挖矿"的内容，重点讲清楚：什么是全节点、矿工具体做什么、挖矿流程和策略，以及和前面"难度、工作量证明"的关系。

视频先从"全节点"说起，说明什么样的节点才算比特币系统中的全节点。

一直在线：长时间运行程序、参与网络协议、持续收发区块和交易。
本地维护完整区块链：磁盘里保存从创世区块到当前高度的全部区块数据。
维护 UTXO 集合：在内存中维护当前"未花费输出集合"（UTXO set），用来快速验证转账是否真的有钱可花。UTXO 是检测双花（double spending）的关键数据结构。
监听并验证交易：从 P2P 网络中接收交易，对签名、余额、格式等做合法性检查，丢弃非法交易。
决定打包哪些交易：把合法交易放入本地的交易池（mempool），再从中挑选交易准备打包进新区块，一般优先手续费高的交易。
监听并验证区块：收到其他矿工挖出的新区块后，检查区块头、工作量证明（难度目标）、区块内所有交易是否合法，决定是否接受这个区块并接到当前最长合法链上。
全节点是"规则的执行者和裁判"，哪怕不挖矿，只要运行全节点就能帮助网络一起维护协议的正确性。

矿工本质上是"带挖矿功能的全节点"，在普通全节点的基础上，多做了几件事。

选择要延长哪条链：
- 当存在多条合法链分支时，矿工按照"最长合法链"原则选择一个分支作为当前主链的末尾，在该链尾部继续挖新区块。
构造候选区块：
- 从本地 UTXO 和 mempool 中挑出一批交易，组合成一个完整区块（区块头 + 区块体），并在区块体中加入一笔"铸币交易"（coinbase），把区块奖励和手续费打给自己控制的地址。
做工作量证明（PoW）：
- 不断修改区块头中的随机数（nonce）或其他可调字段，反复计算区块头哈希，直到找到一个小于当前难度目标的哈希值，即完成挖矿。

因此，矿工的核心任务可以概括为两步：

1）选链；2）在所选链上构造合法区块并做 PoW 计算。

视频对"矿工从接收交易到挖出区块"的过程做了较完整的串联。

接收交易并存入 mempool
- 矿工节点从网络接收交易，对每笔交易做完整验证（签名、余额、格式等），合法的放入本地交易池，非法的直接丢弃，不再转发。
决定区块内容
- 按一定策略（一般是优先手续费更高的交易）从 mempool 中选出一批交易，注意总大小不能超过区块大小上限。 blog.csdn
- 在这些交易前加入一笔 coinbase 交易，指定奖励的接收地址（矿工自己的地址）。
构造区块头
- 设置前一个区块的哈希（指向父区块）、Merkle 根、时间戳、难度目标等字段，形成一个待挖的区块头。
执行 PoW
- 不断修改 nonce 或额外字段，重复计算哈希，直到满足难度要求为止。
- 这是一个完全概率性的过程，算力越大，找到符合条件哈希的概率越高。
广播新区块
- 找到合法哈希后，矿工将新区块广播给网络中其他节点，对方验证通过后，将该区块接到各自的最长合法链上，并继续在这个新区块上向前挖矿。

视频强调了一点：由于网络延迟与挖矿的随机性，比特币系统中临时出现"多分支"的情况是正常现象。

同时挖出两个区块：
- 不同矿工几乎同时在同一个高度挖出两个区块，部分节点先收到 A 区块，部分节点先收到 B 区块，于是形成两个长度相同的合法分支。
矿工的策略：
- 每个矿工总是对"当前看到的最长合法链"的末尾进行挖矿，即只在自己认为的主链上继续延长。
分支的消解：
- 之后某个分支先挖出下一个区块，就变成更长的链，网络中大多数节点会随之切换到更长的分支，另一条短分支变成"孤块链"，其区块奖励作废、对应交易需要重新被打包。

这一策略保证了长远来看全网会逐渐收敛到一个主链，但短期内允许存在暂时的不一致。

虽然"难度、出块时间"等细节主要在上一讲"挖矿难度"里展开，但本视频在讲挖矿行为时有若干关键承接点。

出块时间和难度调节：
- 比特币系统以 10 分钟左右的平均出块时间为目标，通过全网算力与难度调整机制，使整体出块速度在长期统计上保持稳定。
矿工收益构成：
- 每个新区块带有固定区块奖励 + 区块中所有交易的手续费，合计收益通过 coinbase 交易发给挖出区块的矿工。
矿工的激励与安全性：
- 因为要投入大量算力与电费，矿工有动机遵守协议（否则挖出的非法区块会被全节点拒绝，无法获得奖励）。
- 大部分算力诚实执行规则时，比特币的安全性才能得到保障，这是 PoW 机制设计的根本出发点之一。

可以把整个第 08 讲"BTC 挖矿"总结为下面的结构：