减半后的比特币网络：大量S9矿机重启，网络算力下降40%，交易手续费增加……

作者：Karim Helmy & Coin Metrics Team

编译：强尼

摘要快乐减半

比特币历史上的第三次减半发生在5月11日，即每个区块新发行的比特币数量减半。 减半每 210,000 个区块发生一次，或大约 4 年一次，直到比特币发行量最终降至零。 在最近的减半期间，区块奖励从 12.5 BTC 下降到 6.25 BTC。 减半前一段时间，市场波动较大，自减半后波动性有所下降。 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，因此减少奖励会导致一些矿工退出网络。 由于可分配的奖励收入越来越少，利润率也越来越低，效率低下的矿工可能会突然发现自己不知所措。 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业务所取代。 但在短期内，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。 我们之前分析了减半对矿工经济的影响。 本文将探讨类似的主题，重点关注减半对网络安全的影响以及运行旧挖矿硬件的经济性。 在此过程中，我们将使用 nounce 数据来估计比特币网络上某些类型的挖矿硬件的当前流行程度，并讨论旧挖矿硬件的存在如何影响比特币的安全模型。 减半和网络安全比特币矿工通过两种方式获得补偿：第一，区块奖励（直接受减半影响），第二，交易费用。 交易费用通常与区块空间需求成正比，因此在网络拥堵和高流量期间交易费用往往会增加。 目前，交易费只占矿工总收入的一小部分。 过去 5 年，矿工收入中只有约 4.4% 来自交易手续费。

交易费用占矿工日收入的百分比。 资料来源：Coin Metrics 由于比特币的区块奖励大约每四年减半，交易费用将需要增加以充分激励矿工保护比特币网络。 在减半之前，交易手续费已经上升到矿工总收入的 17% 左右； 虽然交易费用的影响因区块奖励的减少而增强，但交易费用本身已升至减半后近一年来的最高水平。 自减半以来网络哈希率的下降可能会放大交易费用的增加。 网络哈希率的下降是由于效率较低的矿工离开网络造成的。 哈希率的下降增加了比特币网络的区块时间，从而减少了可用的区块空间量。 为了减少开支，矿工们通常聚集在一起组成一个矿池（mining pool），这是一个由运营商组织起来的松散的矿工联盟，通常根据矿工贡献的算力来分享挖矿收益。 个体矿工经常根据多种因素在不同的矿池之间切换，最明显的是运营商收取的费用。 只要没有单个恶意实体控制超过 50% 的比特币计算能力，那么比特币网络就是安全的。 在称为 51% 攻击的过程中，控制超过 50% 网络计算能力的攻击者可以审查交易并执行双花。 为了对网络发起51%攻击，攻击者需要串通的最小矿池数量被称为“中本聪系数”。 在撰写本文时，前四大矿池需要串通起来对比特币网络发起 51% 攻击。 在比特币的历史进程中，这个数字（即需要串通发起 51% 攻击的矿池数量）总体呈上升趋势，表明比特币网络的去中心化程度在稳步提升。

需要串通才能对比特币网络发起 51% 攻击的矿池数量呈增长趋势（中本聪系数）。 “中本聪系数”并不是一个完美的衡量标准，它让比特币看起来比实际情况更中心化。 面临巨额前期成本（如前期投入的挖矿硬件成本）的个体矿工不愿攻击网络，这些矿工很可能背叛恶意操作的矿池（即选择不攻击网络） . 尽管如此，矿池还是会选择其成员矿工需要开采的区块，并对成员矿工进行一定程度的控制（除非矿工叛逃）。 攻击者还可能使用不到 50% 的算力通过“羽毛分叉 [1]” 等技术来审查网络中的交易。 因此，通过“中本聪系数”等不完善的指标来量化矿工集中度的程度是有用的。 Stratum V2[2]协议是Betterhash的第二代Stratum协议实现，对原有的Stratum协议进行了修改（注：Stratum协议是目前矿机与矿池之间最常用的TCP通信协议）。 该实施方案建议让个体矿工选择他们开采的区块，而不是矿池运营商。 这种对矿池运作方式的潜在改进将使个体矿工掌握更多权力，进一步增加网络的去中心化程度。 除了网络在不同矿池实体之间的算力分配，不同类型矿机之间的算力分配也对网络的安全属性有重要影响。

加强挖矿硬件 为了在区块链中添加一个区块，比特币矿工需要尝试找到一个随机数值，使计算出的区块头（block header）的哈希值小于特定的目标值（即在对区块进行哈希处理时header, nonce值不断修改，直到计算出的区块头哈希值小于Target值（比特币协议每两周调整一次Target值，以调整网络挖矿难度）。 区块头的哈希值被计算和验证的速率称为哈希率（算力），满足该条件的随机数称为“黄金随机数”。 区块头的哈希值必须满足的阈值（Target value）由网络的挖矿难度参数设定，该参数会根据网络的出块率周期性调整。 虽然比特币挖矿最初是用 CPU 完成的，但 GPU 在早期使挖矿过程并行化并使挖矿效率更高。 今天，几乎所有挖矿都是使用包含所谓 ASIC 的专用芯片完成的。 这些 ASIC 设备运行速度更快，具有更好的并行性，并且比其他采矿设备更节能。 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，因为它要求矿工将资金锁定在非流动性资产（挖矿设备）上，从而抑制他们的恶意行为。

但是旧挖矿硬件的存在改变了这种安全模式，因为这往往需要较少的前期资本投资（旧设备更便宜），虽然会有更高的运营成本（如电费等，旧设备消耗的能源往往更高). 尽管除了硬件成本之外比特币算力减半，开办挖矿场还有其他实际和后勤成本，但旧硬件的存在使得进入挖矿市场的资本资产明显减少。 由于采矿业的保密性，通常很难辨别使用哪种类型的采矿硬件来保护比特币网络。 然而，新技术使我们能够以数字方式估算某些挖矿硬件所贡献的计算能力份额。 比特币的 nonce 值分布（见下图）为我们提供了有关用于挖掘网络的硬件类型的提示。 通过将这些数据与二级市场上的硬件价格信息相结合，我们可以量化廉价、略显过时的硬件带来的风险程度。 有关我们对比特币随机数分布分析的详细说明，请参阅我们的“信号和随机数”系列的第 1 部分 [3] 和第 2 部分 [4]。

在上图的左侧附近，nonce 值集中在分布的较低范围内。 这是矿工在 CPU 挖矿时代使用的随机抽样技术的结果（以找到正确的 nonce 值），该技术涉及测试从 0 开始并向上递增的 nonce 值。 【备注：采样是指矿机不断修改nonce值，直到计算出的区块头哈希值小于Target值】 上图还表明，比特币的nonce值分布也有条纹图案比特币算力减半，最早出现在2015 年底，最近开始消退。 这些条纹起初很宽，然后突然变窄，然后再次消失。 该图显示了四个不同的条纹，每个条纹都可以由其宽度指定。 我们发现这些条纹来源于比特大陆蚂蚁矿机 S7 和 S9 系列矿机对 nonce 值的采样。 这些矿工中的每一个都曾经是比特币网络中的主要矿工，S9 最近被 Antminer S17 矿工取代。 条纹的宽度和宽度是由于 S7 和 S9 系列矿机分别使用的采样技术。 我们可以使用这些知识来数值估计 S7 和 S9 提供的网络计算能力的百分比。

上图：各种比特币矿机提供的算力占比（%），绿线表示S7系列矿机提供的网络算力占比变化趋势，橙色线表示提供的网络算力占比按S9矿机的变化趋势，黑线表示其他类型矿机提供的算力占比的变化趋势。 基于以上这些数字的估计：这些数字与对这些类型设备提供的计算能力的估计一致：CoinShares 在 2019 年 12 月发布的一份关于比特币挖矿的报告估计，在类似的硬件中，S9 挖矿提供的计算能力由 CoinShares 提供。矿机约占三分之二； 今年3月，北京星火资本创始人估计，S9矿机提供了比特币网络20%-25%的算力。 每种类型的挖矿硬件提供的哈希率百分比可以进一步洞察旧硬件对网络安全构成的威胁。

上图：各种比特币矿机提供的算力（EH/s），绿线表示S7系列矿机提供的网络算力变化趋势，橙色线表示网络算力变化趋势由S9矿机提供，黑线表示其他型号矿机提供的算力变化趋势。 顶部的虚线显示了比特币网络总算力的趋势。 上图中突出的是保护比特币网络的总计算能力（浅蓝色虚线）的指数增长。 S9 系列矿机提供的计算能力在 2019 年 8 月达到峰值，当时产生了约 52 EH/s。 2020年2月，S9矿机预估算力在21EH/s左右触底。 现在，可能是由于比特币最近的升值，大量曾经离线的 S9 硬件已经重新激活。 该硬件当前的近似计算能力为 37 EH/s。 由于市场条件瞬息万变，这种影响可能无法持续。 然而，这说明了在有利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便利性。 S9 矿机在二级市场上的售价仅为零售价的一小部分：这些矿机的售价在 20 到 80 美元之间[5]，而原价约为 3,000 美元。 鉴于当前的经济环境和中国雨季带来的廉价电力，矿工们发现该设备具有潜在的盈利能力。 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，但它们的存在对于网络的安全动态确实具有重要意义。 而其他使用比特币 PoW 算法的区块链平台，包括比特币现金 (BCH) 和比特币 SV (BSV)，可能会感受到更强烈的影响。 目前BSV的网络算力约为2.5EH/s，而BSV的网络算力约为1.8EH/s。 带来乐观情绪，比特币价格大幅上涨。 自减半以来，比特币的波动性有所下降，价格继续呈上涨趋势。 减半也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推动市场，减半本身将继续考验比特币能否成功过渡到矿工收入主要由手续费决定的模式。 减半的长期影响还有待观察，但其对矿业经济和整个市场的影响已经显而易见。 在网络算力方面，比特币减半后算力已降至81.66 EH/s，较减半前的高点下降了40%。 随着效率较低的矿工退出网络，哈希率将下降。 在经历了一段时间的动荡之后，高效的矿工取代了效率较低的采矿作业，比特币哈希率可能会恢复。 不过，目前还不清楚这个更换周期会持续多久。

比特币网络算力变化趋势。 图中的虚线是第三个对半的分界线。 图源：Coin Metrics 出块时间方面，由于算力下降，比特币的出块时间已经升至2018年底以来的最高水平（不包括2020年3月12日左右比特币价格突然下跌以及随后的下跌）哈希率，在此期间块之间的时间急剧增加）。 在交易费用方面，随着出块的减少，对区块空间的竞争更加激烈，从而导致交易费用增加。 支付更高的交易费用会导致矿工将交易包含在一个区块中的机会更高。 因此，在区块空间溢价期间，平均交易费用往往会飙升。 5 月 14 日，比特币平均交易费用达到 2.88 美元，为 2019 年 6 月以来的最高水平。同样，以太坊的平均交易费用中值在 5 月 14 日达到 0.25 美元，为 2018 年 8 月以来的最高水平。都比较饱和。

比特币区块间隔时间（平均7天），来源：Coin Metrics 在区块大小方面，减半后，开采区块数量的减少也导致每个区块的大小增加。 5 月 17 日，比特币的平均区块大小达到 1.32 MB 的历史新高。 见下文：

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迹象。 然而，比特币现金 (BCH)、比特币 SV (BSV)、瑞波币 (XRP) 和莱特币 (LTC) 的交易费用并未显着增加。 见下文：

比特币减半前后各大区块链网络平均交易手续费变化趋势。 来源：Coin Metrics 比特币减半后将迎来怎样的走势？ 你想说什么？ 欢迎在评论区发表你的看法！ 参考链接：

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