硬核 | 比特幣——工作量證明、概率與隨機性剖析_比特幣

本文來源：彩云區塊鏈，原文作者HugoNguyen，編譯cybtc.com

工作量證明解剖

工作量證明最初是作為針對垃圾郵件的一種解決方案而發明的。直到后來它才被修改用于比特幣。

PoW挖礦實際上是在后臺進行的操作是將動能轉換為分布式帳本。礦機反復執行哈希運算，直到解決了密碼難題。除了解決該問題的一個特定哈希值以外，所有哈希運算出的值都將被丟棄。

這個很小的哈希值本身只需要很少的能量就能計算出來，它直接代表了產生它所需的巨大能量。區塊被鑄造的“證據”。為了重寫區塊，攻擊者以后將不得不花費最初需要的大致相等數量的哈希運算。哈希值并不表示能量本身。

隨著時間的流逝，隨著改進的挖礦硬件變得越來越有效，這種能量表示越來越不準確。能量本身并沒有改變，但是它在比特幣區塊中的哈希表述會出現偏差。

可視化這種能量轉化過程的另一種方式是將PoW挖礦視為將物理權重添加到虛擬的區塊上。隨著時間的流逝，較舊的區塊會損壞，并且權重會越來越輕。在其他所有條件相同的情況下，這會減少了整個區塊鏈的總重量。

比特幣通過不斷創建具有新權重的新區塊來應對這種能量損耗過程。這樣可以確保整個區塊的頭部始終有較重的權重，從而保護了整個鏈條的完整性。較重的鏈==安全的鏈。

加密礦企Bitfarms三月產出 424 枚比特幣:金色財經報道，加密礦企Bitfarms 三月產出 424 枚比特幣，同比增長 17%。產出的比特幣中有 394 枚比特幣以均價 24700 美元出售。截至 2023 年 3 月 31 日，Bitfarms 總算力為 4.8 EH/s，環比增長 2%，同比增長 78%。[2023/4/3 13:42:35]

SHA256是支持比特幣PoW挖礦的哈希函數。SHA256可防止帳本被重寫。唯一的哈希輸入輸出。這就是比特幣不變性的由來。哈希運算將全部只用于保護帳本的目的！現實世界中幾乎沒有任何東西具有這種100％的奉獻精神和效率。

實際上，它可能不是100％，而只是近似值。因為不可逆性依賴于哈希結果具有統一的隨機性，并且算法無法真正模擬現實世界中的隨機性。

對我們來說幸運的是，諸如SHA256之類的哈希函數已顯示出足夠的隨機性，也就是“偽隨機性”。SHA256經過了多年的審查和壓力測試，并擁有豐富的研究文獻。因此，算法本身這不是我們應該擔心的安全問題。從根本上講，將能量“附加到塊上”的想法是正確的，并且可能是隨機模擬不變性的唯一方法。

隨機性是比特幣工作量證明的基石。隨機性如何在比特幣身上體現呢？

貝萊德是比特幣礦商Core Scientific的最大債權人之一:金色財經報道，投資公司貝萊德是比特幣礦商Core Scientific的最大債權人之一，Core Scientific上周申請了第11章破產保護。根據提交給美國證券交易委員會的一份文件，截至12月28日，貝萊德擁有3790萬美元的有擔保可轉換票據。Core Scientific去年通過與一家特殊目的收購公司(SPAC)的交易上市，貝萊德擔任主要投資者。

Core Scientific計劃在破產法庭的幫助下將其大部分債務轉換為股權。該公司不打算出售任何機器或運營設施，但考慮出售正在開發的礦場。公司其他主要債權人還包括破產的加密貸款機構BlockFi、投資銀行公司B.Riley、加密金融服務公司NYDIG、數字資產銀行Anchorage Digital的母公司Anchor Labs。[2022/12/31 22:17:26]

骰子和比特幣的工作量證明適用相同的隨機性規則

隨機性研究簡史

隨機性一直是生活中必不可少的部分。許多古代的占卜儀式都是基于偶然性和隨機性的：希臘人的動物骨骼占卜，中國人的竹簽占卜，非洲人的項鏈。類似骰子的設備在游戲和賭博中的使用可以追溯到數千年前。

ChilizX與Pyth達成合作，成為Pyth Network數據發布者:11月21日消息，據官方消息，代幣化運動交易所ChilizX宣布以數據發布者身份正式加入Pyth network。

Chiliz此前開發Socios.com，為體育品牌提供其官方粉絲代幣銷售和購買服務，其中包括巴塞羅那、尤文圖斯、巴黎圣日耳曼、AS羅馬、加拉塔薩雷、馬德里競技、OG、阿根廷獨立競技以及UFC等，并使用CHZ作為平臺原生代幣。[2022/11/22 7:53:50]

中國寺廟的靈簽

然而，直到16世紀，我們才開始獲得必要的工具和語言來真正理解概率和隨機性。這些工具包括算術概念。我們對概率和隨機性的研究始于一個名叫吉羅拉莫·卡爾達諾的人。卡爾達諾于1501年生于意大利，是一位數學家，是文藝復興時期最有影響力的數學家之一。他還是一個臭名昭著的賭徒。由于賭博問題，卡爾達諾最終陷入了赤貧和默默無聞的境地。然而，正是他在賭博方面的經驗使他寫出了名著《概率游戲》，這是對偶然性和隨機性的第一種系統性處理。有趣的是，卡爾達諾打算將這本書的內容保密。卡爾達諾去世100年后，《概率游戲》才開始首次出版。

Solana生態DEX Serum或將被分叉:金色財經報道，Solana開發人員分叉Serum，因為它可能在FTX的黑客攻擊中受到損害。Solana創始人Anatoly Yakovenko指出，開發人員今天急于分叉Serum的代碼，并在沒有FTX參與的情況下恢復協議。開發人員需要另一個版本的Serum，因為原始版本只能通過由FTX而非Serum DAO控制的私鑰來更新。（The Block）[2022/11/13 12:59:17]

GerolamoCardano

卡爾達諾對我們對概率和隨機性的理解的主要貢獻是樣本空間的思想。緊隨卡爾達諾之后的是伽利略和帕斯卡爾。伽利略是那個時代反叛思想精神的完美體現：與強大的天主教會背道而馳，宣稱地球不是宇宙的中心。伽利略做了許多重要的工作。不太知名的作品“關于骰子游戲的想法”探討了卡爾達諾感興趣的類似主題。

帕斯卡爾是費馬和笛卡爾的當代人，比卡爾達諾和伽利略的相距更遠。他發現了我們現在所說的帕斯卡三角形。盡管其他文明國家的數學家早在Pascal之前就發現了相同的三角形世紀，但Pascal的工作是最全面和最新穎的應用，特別是在概率論領域。Pascal還介紹了“Pascal的賭注”和數學期望的概念。

美國參議員：將繼續與監管機構就加密貨幣提案進行會面:6月7日消息，美國參議員LUMMIS表示，將繼續與監管機構就加密貨幣提案進行會面，勞工部的加密貨幣401K指導意見是錯誤的。（金十）[2022/6/7 4:09:05]

從卡爾達諾，伽利略和帕斯卡種植的種子開始，我們對機會和隨機性的理解逐漸增長，隨著時間的流逝，它變得越來越復雜和精致。這是文藝復興時期的共同主題：天文學，牛頓物理學，微積分，經驗主義等一些基本突破奠定了科學基礎，帶來了知識的新分支和重大的技術創新，最終導致了工業革命。

我們破解概率和隨機性過程中的重要里程碑列表：

樣本空間

排列組合

帕斯卡三角形

大數定律

小數定律

貝葉斯定理—條件概率

鐘形曲線和標準偏差

向均值回歸

隨機漫步

蒙特卡洛模擬

偽隨機性

正態分布又稱“鐘形曲線”—DanKernler/CC4.0

關于概率和隨機性的兩個重要發展：蒙特卡羅模擬和偽隨機性。特別是因為它們與當今世界高度相關。

計算機的發明為隨機性的全新應用打開了大門：計算機仿真。我們有史以來第一次通過廉價地反復進行實驗來“預測”未來或發現隱藏的真相。這些機器提供給我們的大量模擬以前是無法想象的。

20世紀初，蒙特卡洛模擬的發明標志著人類歷史上的一個重大轉折點。在文藝復興之前，人類常常生活在對隨機性和不確定性的恐懼中。直到20世紀，我們逐漸改進以更好地理解它，但在很大程度上還是讓隨機性決定事物的流動。通過蒙特卡洛模擬，我們開始用隨機性為我們服務，人類開始成為概率的主任。

蒙特卡洛模擬的著名早期開拓者包括現代計算機的兩個教父約翰·馮·諾伊曼和艾倫·圖靈。

如今，蒙特卡洛模擬具有大量應用：流體力學，商業，金融，人工智能等。最近發生的AlphaGo案例就是蒙特卡羅模擬如何將我們引向新發現的完美范例：AlphaGo的舉動完全超越了我們的想象力和豐富的Go文獻，超越了最優秀的人類選手。挑戰了機器無法創新的想法，并迫使我們重新考慮“創造力”的真正含義。

蒙特卡洛方法的日益普及是促使“偽隨機性”發展的原因，因為良好的仿真需要能夠緊密反映現實的隨機性。。這樣的過程產生的數字是確定性的，但是它們通過了對所謂“隨機”的統計檢驗。反過來，偽隨機性成為了一個嶄新領域的組成部分之一，這也是計算機時代的產物：現代密碼學。

這也最終導致了比特幣的出現。

隨機性在比特幣中的作用

比特幣的主要創新之一是在建立分布式共識中使用工作量證明：使用不斷消耗的電能來支撐比特幣區塊可以使我們客觀地觀察系統不變性。PoW是數字與物理之間的橋梁。

PoW提供了客觀的衡量標準，比特幣網絡參與者可以依靠該衡量標準達成共識，而無需信任網絡上的任何人。這與權益證明之類的計劃不同，后者依賴于共識的主觀解釋。本節假設PoW是實現區塊鏈的唯一安全方法。

工作量證明中的“工作”涉及搜索具有最少前導零個數的哈希輸出。。

比特幣PoW方案使用稱為SHA256的加密哈希函數。密碼哈希函數的一個重要特征是它們是單向的。這意味著僅通過查看散列輸出來推斷散列輸入是不可行的。而且它們之所以是單向的，很大程度上是由于哈希輸出的隨機性。

事實證明，這非常關鍵，因為如果散列函數不能生成足夠的隨機輸出，則可以從所需的輸出開始，即：一個帶有一定數量前導零的字符串，然后從那里開始向后工作。這將使該證據充其量在最好的情況下不可信，而在最壞的情況下則無用。

簡而言之，典型的PoW方案是：提出一個問題，其解決方案存在于一個非常大的空間中；沒有捷徑；唯一的解決方法是蠻力地-強迫并隨機搜索大空間。就像在巨大的干草堆中尋找針頭一樣。

因此，哈希函數的隨機性決定了證明的強度。

散列→隨機性→工作量證明

一個好的哈希數學難題使每個礦工有機會根據他們貢獻的哈希能力的多少來贏得下一個難題解決方案。解決問題的速度取決于不同礦工所擁有的挖礦能力。

沒有正式的證據表明隨機性是PoW的強制性要求，但從經驗上看，這似乎是事實。也有一個簡單的觀察結果，即解決方案非隨機的任何問題往往需要花費大量的精力進行驗證，而不是首先計算解決方案。任何此類方案都將在可擴展性方面受到嚴重限制。它還會不成比例地偏向于最快的礦工，以至于稍慢一些的礦工一無所獲。

基于隨機性的PoW的另一個好處是，礦工會員資格是高度開放的：礦工可以隨時隨地出入。不論是在找到障礙物之后立即加入，還是5分鐘后加入，獲得下一次獎勵的機會都不會改變。

哈希呢？這是獲得隨機性的唯一方法嗎？可能不是。除了哈希以外，還有其他模擬隨機搜索過程的方法，例如整數分解或離散對數。

因此，很可能哈希不是實現隨機性的唯一方法，而隨機性是創建數字工作量證明的必要前提。

總而言之，只要人類存在，我們就一直在努力應對隨機性和不確定性。現代計算機的發明和20世紀的蒙特卡洛模擬使我們第一次使隨機性變成了我們的優勢。比特幣中隨機性的使用標志著這一漫長旅程的又一個里程碑。簡而言之，隨機性是工作量證明中“證明”的基礎。沒有隨機性或真正好的偽隨機性，工作量證明將無法工作。

如果比特幣成功地成為未來的貨幣，它將代表人類迄今為止最重要，規模最大的隨機性應用。

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