在区块链的世界里，“挖矿”是一个广为人知的概念，它不仅是新区块产生的过程，也是维护网络安全和实现共识的关键，作为全球第二大加密货币，以太坊（Ethereum）在其发展的漫长岁月中，也曾依赖于一种独特的挖矿机制来驱动其网络运转，本文将深入探讨以太坊过去所采用的挖矿机制,揭秘其背后的核心原理与运作方式。

以太坊挖矿的核心：工作量证明（PoW）

与比特币类似，在以太坊转向权益证明（PoS）之前，其共识机制是工作量证明（Proof of Work, PoW），PoW的核心思想是：网络中的参与者（矿工）通过消耗大量的计算能力（“工作量”）来解决复杂的数学难题，第一个解决问题的矿工将获得创建新区块的权利和相应的奖励（以太币及交易费），这种机制确保了只有付出了真实计算成本的矿工才能获得记账权，从而极大地增加了攻击网络的成本和难度,保障了区块链的安全性和去中心化特性。

以太坊挖矿的核心算法：Ethash

以太坊并未直接沿用比特币的SHA-256算法，而是设计并使用了名为Ethash的算法，Ethash是一种内存硬算（Memory-Hard）算法,其设计初衷是为了：

  1. 抵抗ASIC矿机： 与更依赖计算单元（GPU/CPU）的算法不同，Ethash需要大量的内存（RAM）来进行计算，这使得设计专门用于Ethash挖矿的ASIC（专用集成电路）芯片变得非常困难和昂贵，从而在一定程度上保证了挖矿的去中心化,让普通用户也能使用GPU参与挖矿。
  2. 提高挖矿效率的公平性： 由于对内存的高要求，拥有更多内存的设备在Ethash挖矿中会更具优势，但这相对于纯粹的算力竞争，更考验硬件的综合性能,避免了算力过度集中于少数顶级ASIC矿机的局面。

Ethash算法的基本流程可以简化为：

  • DAG（有向无环图）： Ethash算法会使用一个巨大的、动态生成的数据集，称为“DAG”（也称为“数据集”或“缓存”），这个DAG会随着以太坊网络的成长而逐渐增大（目前已有数GB级别，并持续增长），挖矿时,矿工需要将整个DAG加载到内存中进行访问。
  • 计算哈希值： 矿工针对每个待打包的区块头，结合一个“种子哈希”（seed hash），从DAG中选取特定数据，进行一系列的哈希计算（如Keccak-256）,最终得到一个哈希值。
  • 寻找“符合难度”的哈希： 矿工需要不断调整区块头中的一个称为“nonce”的随机数，重复上述哈希计算过程，直到找到一个哈希值，其前导零的数量符合当前网络的目标难度,第一个找到有效哈希值的矿工即获胜。

挖矿的奖励与过程

  1. 打包交易： 矿工收集网络中尚未确认的交易,将它们打包进一个新的区块。
  2. 竞争记账权： 矿工使用自己的算力，通过Ethash算法计算新区块的哈希值,与其他矿工竞争。
  3. 获得奖励： 成功计算出有效哈希值并广播到网络的矿工，将获得以下奖励：
    • 区块奖励： 由以太坊协议固定的新铸造的以太币（数量随网络升级而减半，如“伦敦升级”后有所调整）。
    • 交易费： 区块中包含的所有交易支付的手续费。
  4. 确认与广播： 获胜的区块被添加到以太坊的区块链上，其他矿工则停止当前的计算,转而开始下一个新区块的竞争。

以太坊挖矿的演进：从PoW到PoS

尽管PoW机制为以太坊的早期发展提供了坚实的安全基础,但其也面临着一些挑战，

  • 能源消耗巨大： PoW挖矿需要消耗大量的电力,引发了关于其环境影响的担忧。
  • 中心化风险： 随着挖矿难度的提升和专业化矿机的出现，挖矿算力逐渐向拥有更多资源的矿池和矿工集中,与去中心化的初衷有所背离。
  • 性能瓶颈： PoW下的交易确认速度和吞吐量相对有限。

为了解决这些问题，以太坊社区一直在积极探索更高效、更环保的共识机制，经过多年的研发和测试，以太坊通过“合并”（The Merge）升级，于2022年9月正式从工作量证明（PoW）转向了权益证明（Proof of Stake, PoS）。

在PoS机制下，不再需要矿工通过消耗大量算力来竞争记账权，而是由验证者（Validator）通过锁定（质押）一定数量的以太坊作为保证金，来获得参与网络共识、创建新区块的权利，验证者的收益与其质押的权益和参与共识的贡献成正比，若作恶则会被罚没质押的以太坊，PoS机制极大地降低了以太坊的能源消耗,并有望提升网络的可扩展性和安全性。