聲明：本文是要點筆記，介紹和系列筆記均收錄在專題：區塊鏈技術與應用
全節點簡介
- 一直在線，
- 在本地硬盤上維護完整的區塊鏈信息，
- 在內存裏維護 UTXO 集合，以便快速檢驗交易的正確性，
- 監聽比特幣網絡上的交易信息，驗證每個交易的合法性，
- 決定哪些交易會被打包到區塊裏，
- 監聽別的礦工挖出來的區塊，驗證其合法性，
- 挖礦
- 決定沿着那條鏈挖下去？
- 當出現等長的分叉的時候，選擇哪一個分叉？
輕節點簡介
- 不是一直在線，
- 不用保存整個區塊鏈，只要保存每個區塊的塊頭，
- 不用保存全部交易，只保存與自己相關的交易，
- 無法檢驗大多數交易的合法性，只能檢驗與自己相關的那些交易的合法性，
- 無法檢測網上發佈的區塊的正確性，
- 可以驗證挖礦的難度，
- 只能檢測哪個是最長鏈，不知道哪個是最長合法鏈。
比特幣網絡中大部分節點都是輕節點，如果只是轉賬而不是挖礦的話，沒必要用全節點。挖礦過程中，如果你聽到別人發佈了一個區塊，該區塊是合法的，也是在延長最長合法鏈。這時候你該怎麼辦？
應該停止挖礦，然後重新在本地組裝一個候選區塊，再重新從頭開始挖礦。因爲如果沿着新發布的交易往下挖的話，那麼本地組裝的區塊中包含的交易就會發生變化，有些交易可能已經被包含到新發布的區塊裏了。另外 block header 的內容也會發生變化，像 block header 裏有交易所組成的 merkle tree 的根哈希值，還有指向前一個區塊的指針，這些也都會發生變化。
這樣做是不是有些可惜？挖礦的一個性質是無記憶性，無論是繼續挖原來的區塊，還是停下來挖一個新組裝出來的區塊，成功的概率是一樣的。只要還沒有挖到符合要求的 nonce 值，前面已經挖了多長時間都是無所謂的。
即使挖到了合法的區塊，發佈到區塊鏈上，也不能保證勝利了。有可能你發佈的區塊最終沒有成爲最長合法鏈，可能存在一些衝突情況，別人可能同時發佈一些合法的區塊，或者存在一些你不知道的雙花（double spending），使得你的區塊中的某些交易變成衝突的。
比特幣是怎麼保證安全的？兩個方面：1. 密碼學；2. 共識機制。
別人沒有你的私鑰，就沒有辦法僞造你的簽名，所以不能把你賬上的錢轉走。(前提是系統中擁有大多數算力的礦工是好的，是遵守協議的，不會接受那些沒有合法簽名的交易。如果沒有這些，密碼學上的保證也就沒有用武之地。)
比如：你去銀行取錢，按照規定取錢得出示合法的證件，銀行工作人員才能把錢給你。合法的證件就相當於密碼學上的簽名，密碼學的性質保證了別人沒有辦法僞造你的簽名，也就沒有辦法僞造你的身份。產生私鑰以及簽名的時候，都要有好的隨機源，產生的隨機數要足夠隨機。但有這些也不是足夠的，銀行工作人員要足夠自覺，不能把錢交給那些沒有合法證件的人，只有這兩條合在一起，才能保證別人不能把你賬上的錢轉走。
挖礦的設備：挖礦設備演化趨勢是越來越趨於專業化，最早的時候用的是普通的 CPU 挖礦，像家裏計算機、筆記本電腦。但如果買一臺計算機專門用來挖礦是非常不划算的，計算機當中的大部分內存都是閒置的，挖礦只用到其中很小一部分內存，CPU 當中的大部分部件也是閒置的，因爲挖礦當中計算哈希值的操作只用到了通用 CPU 當中的很少一部分指令。硬盤和其他很多資源也都是閒置的，所以隨着比特幣挖礦難度的提高，用 CPU 挖礦，用通用計算機挖礦顯得性價比太低。
所以挖礦轉入第二代設備：GPU。GPU 效率相比 CPU 提高了很多，主要用於大規模的並行計算。但 GPU 用來挖礦還是有點浪費了，GPU 是用於通用並行計算而設計的，用來挖礦的話有很多部件仍然是出於閒置狀態，比如說用於浮點數計算的部件。這些部件對於深度學習來說是很重要的，但比特幣的操作只用到了整數挖礦。所以 GPU 雖然效率提高了很多，但仍然有不小的浪費。這些年 GPU 價格漲得很快，有些人歸因於深度學習的火熱，其實有很多 GPU 是用來挖礦的。不過有一個好消息，隨着比特幣挖礦難度的提升，用 GPU 挖礦已經划不來了，已經超過了 GPU 的算力範圍，所以 GPU 現在可以更多的用於深度學習、遊戲應用的服務。
有一些新開發的加密貨幣，有的還在用 GPU 挖礦，而現在更多用 ASIC 芯片挖礦，這是專門爲了挖礦而設計的芯片。上面沒有多餘的電路邏輯，整個芯片就是爲了比特幣挖礦、計算哈希值的操作而設計的。它的性價比是最高的，這個芯片除了挖礦，什麼事都幹不了，而且爲某一種加密貨幣設計的 ASIC 芯片，只能挖這一種加密貨幣。除非這兩個加密貨幣用同一個 mining puzzle。
有些加密貨幣剛發行的時候，爲了解決冷啓動問題，會故意用一個已有的加密貨幣的 mining puzzle，比如說跟比特幣一樣的 mining puzzle，這樣可以吸引更多的人來挖礦，這種情況叫 merge mining。除了這種情況，其他都是一個芯片只能爲一個加密貨幣挖礦。ASIC 芯片生產週期差不多需要一年，但跟其他通用芯片相比，ASIC 芯片研發速度已經是非常快的了。
在這麼長的生產週期裏面，如果比特幣價格出現劇烈變化的話，前期投入的研發費用可能就打水漂了。從歷史上看，比特幣的價格變化是比較劇烈的。曾經發生好幾次，比特幣的價格在幾個月之內，下跌了 80%，然後又慢慢恢復。
如果比特幣價格大幅度下降的話，挖礦可能是賠本的，可能還抵不上電費。即使在比特幣發展的黃金時期，價格不斷上漲，這時挖礦是有利可圖的。但是競爭也是越來越激烈的，定製的 ASIC 芯片可能用不了幾個月就過時了。一款 ASIC 礦機剛上市的時候大部分的利潤是在它上市的前兩個月獲得的，因爲這個時候，它的算力在同類產品中是最強的。再往後隨着更強的礦機出現，它就可能被淘汰掉。所以購買 ASIC 礦機的時機很重要，現在都是要提前預定的。有些不良廠商，ASIC 礦機生產出來之後，不是立即提供給消費者，而是自己先用來挖礦一段時間，賺取比特幣。等到最賺錢的黃金時間，如兩個月過去之後，再把礦機發給用戶。當比特幣系統中算力突然有一個很大的提升，就說明某個大公司生產出了新一款的 ASIC 礦機。所以在挖礦熱潮中真正賺錢的不一定是挖礦的用戶，而可能是賣礦機的大廠商。
挖礦機的變化趨勢，是從通用變得越來越專用，CPU 是通用計算，GPU 是通用並行計算，ASIC 是專用計算。ASIC 一旦過時就作廢了，不像 CPU 和 GPU 還能做其他工作。很多人覺得這是不好的，是跟去中心化的理念是不相符的，也違背了比特幣設計的初衷。最民主的情況是，大家都用家裏的 CPU 計算機挖礦。後來改爲 GPU 噪音是很大的。而有些新的加密貨幣設計的是 Alternative mining puzzle。而設計它的出發點是 asic resistance(抗 asic 芯片化)，目的是讓通用的計算機也能參與挖礦的過程。
挖礦的另一個趨勢是大型礦池的出現，單個礦工，即使用了 ASIC 芯片，挖礦從平均收益上看是有利可圖的，但是收入是非常不穩定的。比特幣系統中平均每 10 分鐘出一個區塊，這是說比特幣系統中，所有的礦工做一個整體來看，平均 10min 會產生一個區塊。但如果具體到某一個礦工來說，他可能要挖很長時間，如他用一個礦機可能要挖一兩年。這樣子就好像是買彩票，挖到了就是中了一個大獎。單礦工還有其他問題，他除了挖礦之外還要承擔全節點的其他責任(就是本文最開始對全節點介紹的那些)。
所以要引入礦池，所謂的礦池，就是把這些礦工組織起來，作爲一個整體。礦池的架構一般是一個全節點，會驅動很多礦機。一個礦池有一個礦主，叫 pool manager。下面連了很多礦工，這些礦工只負責計算哈希值，全節點的其他職責都由礦主來承擔。他負責監聽網上的交易，把這些交易組織打包成區塊，同時要看一看有沒有其他的節點搶先發布區塊，如果有的話看怎樣進行調整.....
ASIC 芯片只能負責計算哈希值，它不能幹全節點的其他功能。礦池的出現還爲了解決另一個問題：礦工的收入不穩定。單個礦工的收入是不穩定的，所以大家一起幹，有了收益再進行分配。
那麼收益該如何分配？礦池一般有兩種組織形式，一種是像大型數據中心那樣，有的互聯網公司，有成千上萬個服務器，大的礦池裏面也有成千上萬的礦機，這些礦機如果是屬於同一個機構的話，那麼收入怎麼分配就不重要了。
但也有礦機是來自不同機構的，即第二種組織方式：分佈式的。礦工和礦主不在同一個地方，可能分散在世界各地，那麼礦工要加入一個礦池，就是按照礦池規定的通訊協議跟礦主進行聯繫。礦主把計算哈希值的任務分配給他，礦工計算完之後，把結果反饋給礦主，將來獲得出塊獎勵時再一起分配。
如果礦工是來自五湖四海的，不是屬於同一個機構的，那麼利益該怎麼分配？平均分配行不行？比如每個礦工挖到一個區塊，得到了出塊獎勵，然後平分給其他礦工，這樣行嗎？不行，因爲會有礦工偷懶。因此要按礦工的貢獻大小進行分配，也就是這裏同樣需要工作量證明。那該怎麼證明每個礦工做了多少工作呢？
爲什麼礦工的收入不穩定，因爲挖礦太難了，如果把挖礦的難度降低之後，挖礦就會變得穩定了。怎麼降低難度呢？以前的要求是，礦工要找到一個 nonce，用 nonce 計算 block header 的哈希值，前面至少有 70 個 0 纔是合法的區塊。降低挖礦難度之後，比如說前面只要有 60 個 0 就行了，這樣挖礦，叫作 share，這個 share 又叫做 almost valid block。礦工挖到 share 或 almost valid block 之後，把它提交給礦主。礦主拿到這個區塊有什麼用呢？用來證明礦工所做的工作量，而沒有其他用途。礦主無法得到區塊獎勵以及任何好處。所以礦主就統計每個礦工提交了多少這樣的 share，將來等到某個礦工真正挖到了合法的區塊之後，再將出塊
獎勵按照每個礦工所做的工作量，提交的 share 數目進行分配。
這樣做爲什麼是可行的？每個礦工挖到礦的概率取決於他嘗試的 nonce 數目，嘗試的 nonce越多，能找到的 share 就越多。
有沒有可能一個礦工挖到一個合法的區塊之後，不把它提交給礦主，而是自己偷偷摸摸發佈出去，得到出塊獎勵？即使將挖到的 share 提交，但挖到了合法區塊就不提交？不可能，因爲每個礦工的任務是由礦主分配的，礦主負責組裝好一個區塊，然後交給礦工去嘗試各種 nonce，而且挖礦僅僅調 nonce 是不夠的，還需要調整 coinbase parameter。所以礦主會把不同的 coinbase parameter 所對應的 nonce 值的範圍交給不同的礦工去嘗試。那麼這個區塊裏包含什麼？coinbase transaction 裏面有收款人的地址，這個地址填的是礦主的地址，即 pool manager 的地址，所以礦工挖到區塊之後，如果他不提交給礦主，自己發不出去是沒有用的。
裏面的收款地址是礦主的，他取不出錢來。所以只要是當初按礦主給分配的任務進行挖礦的，就不可能偷區塊獎勵。
如果他一開始就不管礦主的任務，自己組裝一個區塊，偷偷把收款地址改成自己地址，會怎樣？那樣他提交 share 給礦主的話，礦主是不認的，因爲裏面交易列表被改過了，coinbase transaction 裏面的內容發生了變化，算出的 merkle tree 的根哈希值也是不一樣的。這種情況下，礦主是不會給他工作量證明的。那就相當於礦工一開始就單幹，跟礦池是沒關係的。
雖然不可能偷區塊獎勵，但會不會有人搗亂，比如平時挖到一個 share，提交給礦主，作爲工作量證明。等他挖到一個真正合法的區塊之後，把它扔掉。這是有可能的，雖然沒有經濟好處，但有可能是別的礦池派來的臥底，不想讓這個礦池得到區塊獎勵。這些礦工還是會有分紅，分的是別的礦工挖出來的區塊獎勵。
礦工轉換礦池是很容易的，加入一個礦池就是按照這個礦池的協議跟這個礦主聯繫，礦池把組裝好的區塊信息發給礦工，礦工來嘗試各種 nonce 值就可以了。
所以這就是礦池帶來的危害，如果沒有礦池，想要發動 51%的攻擊，攻擊者要投入大量的成本來購買到足夠的礦機，能夠達到系統中半數以上的算力。有了礦池之後，他可能只佔很小一部分比例的算力，只要能夠吸引到足夠多的礦工，足夠多的不明真相的羣衆加入到他的礦池裏來就行了。
一般來說，礦池的礦主要收取一定比例的出塊獎勵作爲管理費。礦主也要按照比例收取管理費，有的是按照出塊獎勵的比例，也有的是抽取交易費。有的一些有惡意的礦池在發動攻擊之前，可能故意把管理費降得特別低，甚至是賠本賺吆喝，吸引足夠多的礦工加入之後就可以發動攻擊了。這是大型礦池的一個弊端，使得 51%的攻擊更加容易了。
假如某個礦池佔到了半數以上的算力，他具體能夠發動哪些攻擊呢？一個最常見的就是分叉攻擊。假如一個區塊鏈，其中一個區塊包含了一個大筆的交易，又等了幾個確認區塊之後，自認爲已經安全了。然後這時就可能有人在該交易前面的區塊發動分叉攻擊。
看上去好像追趕的道路是很漫長的，但如果擁有 51%的算力，最終還是可以成功攻擊。另外，不要把 51%當成絕對的門檻，有可能不到 51%就可以。算力都是估計的，而且算力還在不斷變化。
攻擊者還能做什麼壞事？還可以做封鎖境域（boycott）。比如說，攻擊者不喜歡某個賬戶，懷疑某個賬戶參與非法交易，想把這個賬戶封鎖掉，所有跟這個賬戶相關的交易都不讓上鍊。假如 A 把某個交易 A→B 發佈到區塊鏈上，攻擊者就會馬上進行分叉，產生一個不包含這個交易的區塊，所有跟 A 有關的交易也都不包含進去。
這種攻擊跟分叉攻擊區別是什麼？他沒必要等後面幾個確認區塊。這時候，如果攻擊者等待確認區塊，是爲了讓 B 放心，B 以爲後面有六個確認區塊，已經沒事了。然後攻擊者再發動分叉攻擊。而如果目的是爲了 封鎖境域（boycott）的話，就沒有必要等後面區塊生成。A→B 交易一上鍊，馬上進行分叉，越早越好，因爲攻擊者是希望別人沿着他的鏈往下挖的。
前面講過，有些有惡意的節點故意不把某些交易寫入區塊裏，是可以的。但沒有關係，後面的區塊還是會包含的。但是如果這個壞人擁有 51%的算力的話，他可能仗着自己算力強，公開抵制他想抵制的交易。這樣別的礦工也不敢隨便把交易打包進去了。
那麼攻擊者有沒有可能掌握 51%的算力後，把別人賬上的錢轉走。這是不可能的。因爲他沒有別人賬戶的私鑰，沒有辦法僞造簽名。如果他仗着算力強，強行把一個沒有合法簽名的交易發佈到區塊鏈上，會有什麼樣的結果？會造成分叉。因爲誠實的礦工會沿着另外一個分叉去挖，不會沿着他發佈的區塊往下挖。所以盜幣是不可能的。
總結：礦池的出現減輕了礦工的負擔，礦工只需要挖礦，計算哈希值就行了，別的事情都由礦主來完成。礦工的收入分配也更加穩定。但礦池的出現也有危害，發動 51%的攻擊變得容易了。他不一定自己有這麼強的算力，只要動員召集這些算力就可以了。
這有點類似於雲計算中的 on demand computing。平時不需要維護很大的計算機羣，需要用的時候，可以隨時召回來。而礦池的情況，是 on demand mining。