作者：Angelina H. Huang
區塊鏈技術廣大博深，本篇文章將介紹區塊鏈背後礦工（網民）的操作及其如何透過線上交易獲利。
上篇文章【Blockchain入門】「區塊」與「鏈」的相遇說明了打包交易紀錄造區塊的步驟，這次要來聊聊執行這浩大工程背後辛苦揮汗（繳電費）的礦工們。
礦工究竟是誰？其實礦工就存在你我之中！還記得區塊鏈是將資料存在分散的節點上嗎？每個節點可代表一台電腦或伺服器，而這電腦前都有一個宅宅…不！是志向偉大的網民在操作，這些網民就是我們的礦工！
礦工的主要任務有三項
- 打包交易紀錄造區塊
- 將區塊傳給其他節點驗證
- 節點們確認該區塊無誤，將區塊上鏈
在繼續解釋礦工的任務前，我們需要先了解造區塊之前發生的事，才能解釋為何礦工在區塊鏈扮演這麼重要的角色。
甘道夫（左）的電子帳戶地址 A 要匯 1000 枚比特幣給勒苟拉斯（右）的電子帳戶地址 B
當灰袍巫師甘道夫要匯 1000 枚比特幣給精靈勒苟拉斯時，他在電子帳戶地址（由數字與英文字母組成的一組隨機序號）輸入這筆交易，電子帳戶地址會產生一對公鑰（Public Key）和私鑰（Private Key），公鑰如同你的 Email 帳號，大家都可以在公開網路找到你的 Email，但私鑰就是你的 Email 登入密碼，只能自己知道。
公、私鑰的區別
公鑰的功能是解鎖，私鑰則像幫這筆交易上鎖和簽上專屬的數位簽章。甘道夫把他匯錢的交易用私鑰上鎖並封上自己的數位簽章，接著在區塊鏈上廣播這個交易的消息，此時，該筆交易會先進入區塊鏈上的「待確認交易區」，等待礦工取走驗證。通常附上的手續費越高，越快被礦工挑走打包。
換個角度看，公鑰代表資產所有權的「確認」，而私鑰則是資產的「支配」權。擁有私鑰的主人可以支配這個帳戶下的錢要轉去哪裡，公鑰則無法，只能確認這個帳戶的主人是誰，但是區塊鏈只認私鑰不認人，因此私鑰務必保管好！
礦工通常會希望一個區塊裝進越多筆交易越好，因為打造一塊區塊和上鏈要價不斐，耗時又耗電，不過在比特幣區塊鏈上，一個區塊的容量上限是 1 MB，而且礦工不是每筆都會挑進他的區塊，會優先挑出手續費較高的交易，因為可以賺進比較多錢。礦工也有自己的挑選程式來找尋報酬率較高的交易，但挑選交易並不是先搶先贏，每位礦工都可以挑同一筆交易進他的區塊，真正先搶先贏的時機則在後面上鏈的時候。
假設礦工矮人金靂挑了甘道夫這筆交易，他會用甘道夫的公鑰去核對交易，驗證是否真的來自甘道夫本人的指令，而不是駭客半獸人的假訊息。由私鑰上鎖的加密交易內容，可用公鑰來還原，但你可能會有疑問，如果我交易內容都被人看光光了，不就沒有隱匿性？這就要提到區塊鏈的特性之一：匿名性，後來也成為監管機構擔憂之處。
在比特幣區塊鏈上的交易都是匿名的，有的只有匯出的電子帳戶位址 A 和匯入的電子帳戶位址 B，所以甘道夫與勒苟拉斯的交易在區塊鏈上只看的到 A 轉帳給 B，A 和 B 背後的藏鏡人是誰，除了本人以外，大家都不會知道。
駭客半獸人的攻擊
由於一對私鑰和公鑰是由數學式算出相對應的鑰匙，公鑰 A 只能打開私鑰 A 上鎖的文件，如此一來，礦工就可以確認這筆資料是來自電子帳戶A（甘道夫）。接著，礦工確認甘道夫過去的交易紀錄，他的帳戶結餘是否足夠支付要匯出的 1000 枚比特幣。
礦工收到交易廣播後會確認：
- 該筆交易是否來自帳號 A 本人傳輸的
- 帳號 A 的餘額是否有足夠的錢
礦工驗證該筆交易是否來自帳號 A 本人傳輸的，還是來自駭客半獸人的攻擊
兩道步驟確認完後，礦工便把這筆交易放入準備打包的區塊內，下一步開始造區塊，也就是開始挖礦囉！挖礦過程類似解數學謎題，還記得上一篇區塊與鏈的故事裡，有一塊黑的令人看不透的 Nonce 和遊戲規則 Difficulty 嗎？就是 Hash Function 加密步驟，礦工拿區塊鏈上最後一個區塊的 Hash 值加上新交易資料，然後要猜 Nonce 是什麼，讓產生出來的新 Hash 值小於/等於 Difficulty，因此所謂「挖礦」，就是挖出這個 Nonce 到底是多少的過程。
新 Hash值（新區塊）5 = 前Hash值（上一個區塊）1 + 新交易資料2 + Nonce（加密）3 ≤ Difficulty（遊戲規則）4
Nonce 是一個不斷改變的隨機數，加入密碼學 SHA-256 運算，最後算出以 0 為開頭（又稱為前導零）的 Hash 值，如果這個 Hash 值符合 Difficulty，就代表成功解出 Nonce。如果不符合 Difficulty 要求，則通過遞增 Nonce 的值，重新運算。一個符合 Difficulty 的 Hash 值是由 N 個前導零構成的，而幾個零就取決於當時區塊鏈網絡中的 Difficulty，前導零的數目越多，就代表越難。
最新比特幣區塊Hash值
根據最新比特幣區塊（截至2018–11–20 06:54:09），目前 Hash 值有 18 個前導零，理論上需要嘗試 62 的 18 次方次才能解出 [註1]，礦工需要投入大量的運算設備、電力，才能產生如此龐大的運算量來猜到這個 Nonce。
Difficulty 的目的除了確保加密的安全性外，也為了控制新區塊產生的速度，目前比特幣區塊鏈是控制在每 10 分鐘產生一塊，如果新區塊生成速度變快，區塊鏈就會提高 Dicculty，增加挖礦難度，讓速度趨緩，反之亦然。
這整個過程就是「工作量驗證」（Proof-of-work, POW），誰工作效率最好，誰就是贏家。在比特幣區塊鏈上，需要使用 CPU 的運算能力 [註2]，不斷的猜 Nonce、不停的算 Hash 值，而算力非常依賴電力 [註3]。大家可能聽過學生在學校宿舍偷挖礦，讓宿舍電費暴漲的新聞吧！根據數位貨幣網站「Digiconomist」資料，比特幣每筆交易使用的電力為 944 千瓦小時（KWh），相當於台灣小家庭三個月的用電量 [註4]。
比特幣區塊鏈只有一條，如何決定誰可以接上下一塊區塊？此時來到緊張刺激的時刻了，要能夠上鏈，除了猜對 Nonce 外，還要比誰最快解出 Nonce，因此可以說是誰的算力最強，誰越有機會最快解出 Nonce！這個規則衍生出礦池、礦場，以及 51% 算力的雙花攻擊等議題，我們後續再一一述說。
看完以上 Nonce 和 Difficulty 的介紹有沒有覺得頭很暈？看不懂也沒關係，主要想讓讀者感受一下，挖礦真的是很耗能源的網路活動。
第一名的礦工成功解出 Nonce 後，假設是我們的礦工矮人金靂，他會把這個成功的區塊廣播給區塊鏈上其他節點的礦工檢查，確認該區塊是否真的是最快的，且符合 Difficulty 的規則。確認無誤後，多數礦工便同意和承認這個區塊可以上鏈，這個過程就是「共識決」（Consensus），並把這個消息再次廣播給其他節點，而金靂除了獲得手續費外，還可以得到比特幣區塊鏈的挖礦獎勵。
礦工賺什麼？
- 交易的手續費：使用者付費，由交易發起人（甘道夫的帳號A）支付，預設是฿ 0.00001/KB，但可自行加價，如同急件要付比較貴的費用。
- 區塊鏈的獎勵：現在每一筆成功上鏈的區塊可獲得 12.5 枚比特幣 [註5]。
一「工」歡樂幾「工」愁，那沒搶贏上鏈的礦工怎麼辦？其實也不能怎麼辦，當其他也在挖礦的礦工們，收到礦工共識的新區塊廣播後，只能丟下原本的區塊，重新回到「待確認交易區」挑選新交易打包，繼續搶挖下一塊區塊。原本解密到一半所耗費的算力和衍生的電費也就這樣付之一炬了，其實真的滿浪費能源的。
最後我們再重整一下礦工在區塊鏈的任務運作：
打包交易→打造密碼區塊→區塊上鏈
礦工的任務看似可簡單分成三個階段，但每個階段消耗的算力／電力是肉眼看不到的（只有看到電費帳單的當下會有深刻的感觸），可是區塊鏈技術的應用不只如此，也不應只有如此，它的去中心化乃至分散式儲存的概念，反而有助於達到節省能源，將算力和儲存空間的存取發揮到最大價值，我們將在下一篇故事介紹區塊鏈文章中常被省略，因為也比較複雜，但其實很重要的默克爾樹（Merkle’s Tree），這棵樹也是未來取代 HTTP 的 IPFS 星際檔案系統中，很重要的底層技術之一。
默克爾樹（Merkle’s Tree）是未來取代 HTTP 的 IPFS 星際檔案系統中，很重要的底層技術之一（圖片來源：Merkletrees）
區塊鏈的礦工運作
註解
註 1：區塊鏈 Blockchain — 共識機制之工作量證明 Proof-Of-Work
註 2：隨著炒幣熱潮，礦工升級工具到 GPU 圖形處理器／顯卡、FPGA，速度更快、算力更強，更因應市場需求而有 ASIC 專業礦機的誕生，其組成的礦池可集結龐大的算力。比特幣區塊鏈中以中國的比特大陸（Bitmain）和澳洲的澳本聰為首，最近的幣圈大事，就是兩大礦主為了比特幣現金（BCH）的硬分叉正式掀起算力大戰。這樣算力集中的狀況，其實也違反了區塊鏈去中心化的精神，演變成誰的算力大、誰說話的局面。
註 5：比特幣總額限制為 2,100 萬個比特幣，每創造出 21 萬個區塊，礦工獲得的比特幣獎勵就會減半。最近一次減半發生於 2016 年 7 月，此後挖出一個區塊僅能獲得 12.5 枚比特幣獎勵。
（本文經作者同意轉載自 Flowchain Foundation、原文連結；責任編輯：賴佩萱）
- 【Blockchain入門】Flowchain 挖礦指南：Flowchain + IPFS - 2019/02/18
- 【Blockchain入門】挖礦指南— IPFS - 2019/01/02
- 【Blockchain 入門】區塊鏈裡挖礦的小礦工們 - 2018/12/12
.jpg)
.jpg)