區(qū)塊鏈與挖礦技術(shù)研究

邢志鵬，李 昕，黃晶晶

區(qū)塊鏈與挖礦技術(shù)研究

邢志鵬1，李 昕1，黃晶晶2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 實業(yè)總公司，遼寧 錦州 121001）

總結(jié)了當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)的研究方向與研究成果，之后從區(qū)塊鏈出發(fā)，給出了當(dāng)前區(qū)塊鏈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、使用的常見共識算法、區(qū)塊鏈的未來發(fā)展前景，并介紹了區(qū)塊鏈、虛擬幣、挖礦之間的關(guān)系，闡述了虛擬幣市場的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，通用的挖礦協(xié)議以及當(dāng)前挖礦泛濫所產(chǎn)生的危害。

區(qū)塊鏈；挖礦；虛擬幣；共識算法；挖礦木馬

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種去中心化的、數(shù)據(jù)難以被篡改的技術(shù)，與這項技術(shù)一起誕生的虛擬幣市場的主要貨幣之一—比特幣，如今的市值已經(jīng)達(dá)到了驚人的上萬億美元，每日的交易量更是接近300億美元，1枚比特幣的價格從10年前不到10美元，到如今已經(jīng)價值為5～6萬美元。

一方面，由于虛擬幣在短時間內(nèi)呈現(xiàn)出的暴利，導(dǎo)致近些年來掀起了多次“挖礦”的熱潮，使用不法手段的個體黑客、APT組織尤其熱衷于此，因而也導(dǎo)致各種挖礦木馬的誕生，與通過“正當(dāng)”途徑挖礦的人群混雜在一起，共同組成了龐大的挖礦集體。另一方面，區(qū)塊鏈技術(shù)又在其他多個領(lǐng)域相繼發(fā)揮了多方面的正面作用。

1 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前對于區(qū)塊鏈的研究正處于發(fā)展階段，區(qū)塊鏈的共識機(jī)制已經(jīng)基本完善，目前國內(nèi)外主要集中在區(qū)塊鏈的擴(kuò)容、智能合約的設(shè)計、區(qū)塊鏈的安全問題、區(qū)塊鏈與其他領(lǐng)域的結(jié)合這幾點。文獻(xiàn)[1-5]中對于區(qū)塊鏈共識機(jī)制與架構(gòu)做出了完整的總結(jié)，對當(dāng)前區(qū)塊鏈區(qū)塊的結(jié)構(gòu)、區(qū)塊鏈的架構(gòu)以及區(qū)塊鏈的共識機(jī)制做出梳理；文獻(xiàn)[6-9]中，對當(dāng)前區(qū)塊鏈的擴(kuò)容做出了研究，將社區(qū)發(fā)現(xiàn)等算法融入到區(qū)塊鏈中；文獻(xiàn)[10-12]對區(qū)塊鏈安全隱私問題做出了總結(jié)，并提出了針對區(qū)塊鏈的安全監(jiān)測模型；文獻(xiàn)[13-14]中探討了區(qū)塊鏈的可修改性，并在當(dāng)前區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)與機(jī)制下加入了單陷門函數(shù)，成功實現(xiàn)了對區(qū)塊鏈內(nèi)容的修改，但并未在較大的規(guī)模與吞吐量中做出驗證，仍有較大的改進(jìn)空間；文獻(xiàn)[15]探討了當(dāng)前區(qū)塊鏈的焦點問題——智能合約的設(shè)計，并提出了自己的設(shè)計方案；文獻(xiàn)[16-17]主要集中在語義區(qū)塊鏈方面；文獻(xiàn)[18-22]中，對區(qū)塊鏈與其他領(lǐng)域，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、慈善捐贈、醫(yī)療等結(jié)合，設(shè)計出一套相關(guān)領(lǐng)域的系統(tǒng)，但仍然缺乏實際的完整應(yīng)用過程驗證，且并未提出對于挖掘區(qū)塊成本問題的解決方案；文獻(xiàn)[23]中對于當(dāng)前惡意挖礦中的網(wǎng)頁挖礦行為進(jìn)行了研究，并設(shè)計了惡意挖礦的檢測模型，將機(jī)器學(xué)習(xí)融入到區(qū)塊鏈安全當(dāng)中。

2 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈?zhǔn)褂靡环N經(jīng)過特定的加密方式(主要是SHA256)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來驗證和存儲信息，并在分布式網(wǎng)絡(luò)中通過共識機(jī)制來生成和更新其中的數(shù)據(jù)。本質(zhì)上是一個去中心化的共享數(shù)據(jù)庫，在區(qū)塊鏈組成網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都參與區(qū)塊的產(chǎn)生，每一個區(qū)塊的產(chǎn)生都需要經(jīng)過嚴(yán)格的驗證，每個區(qū)塊的內(nèi)容都難以篡改，因此，區(qū)塊鏈所存儲的信息是可信的，這也為未來社會發(fā)展中會出現(xiàn)的信任危機(jī)提供了一個良好的解決方案。

2.1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

當(dāng)前所有的區(qū)塊鏈系統(tǒng)一般都可以劃分為以下幾個部分：數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、合約層以及應(yīng)用層，如圖1所示。

(1)數(shù)據(jù)層：主要包含數(shù)據(jù)區(qū)塊結(jié)構(gòu)，所使用的加密技術(shù)、時間戳等。

(2)網(wǎng)絡(luò)層：這一層規(guī)定了區(qū)塊鏈的分布式組網(wǎng)的具體機(jī)制，數(shù)據(jù)傳輸通信的機(jī)制和驗證機(jī)制。

(3)共識層：區(qū)塊鏈系統(tǒng)的核心層，封裝有區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的共識算法。

(4)激勵層：主要包含發(fā)行貨幣機(jī)制和區(qū)塊鏈的獎勵機(jī)制、分配機(jī)制等。

(5)合約層：主要有各類腳本和智能合約，為區(qū)塊鏈的可編程性質(zhì)提供了技術(shù)支撐。

(6)應(yīng)用層：這一層是區(qū)塊鏈在各類場景中的應(yīng)用。

2.2 區(qū)塊鏈共識協(xié)議

區(qū)塊鏈共識協(xié)議制定了一個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的區(qū)塊生成與更新的規(guī)則，每一個在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都必須遵守這個規(guī)則，嚴(yán)格保證區(qū)塊的產(chǎn)生是合法的，內(nèi)容是經(jīng)過驗證的，是能夠被每個節(jié)點所接受的，目前在虛擬幣領(lǐng)域常用的共識機(jī)制是工作量證明機(jī)制(POW)，也有部分虛擬幣系統(tǒng)使用權(quán)益證明(POS)，其余共識機(jī)制雖然也存在虛擬幣系統(tǒng)使用，但并不是當(dāng)前區(qū)塊鏈系統(tǒng)的主流共識機(jī)制。

(1)工作量證明

工作量證明機(jī)制，也即POW機(jī)制，這是在目前的區(qū)塊鏈算法中最為常見、應(yīng)用最廣泛的共識機(jī)制。工作量證明中最常用的技術(shù)是SHA函數(shù)。也即輸入任意一個值，會產(chǎn)生一個對應(yīng)的哈希函數(shù)結(jié)果()，當(dāng)變動一個bit，其結(jié)果()都將產(chǎn)生巨大變化，幾乎無法從()回推。在POW中，每一個參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的“礦工”，都會收到系統(tǒng)指定的一個計算難度，所有“礦工”的任務(wù)就是計算出一個以0為開頭的符合條件的哈希值，同時為了保證每個“礦工”都能夠有產(chǎn)生區(qū)塊的可能性，系統(tǒng)會動態(tài)的調(diào)整這個難度值，以保證區(qū)塊的產(chǎn)生速度，以及相關(guān)礦工的算力的巨大差異而導(dǎo)致的收益極度不均衡問題。

為了保證區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的安全性，這種算法也產(chǎn)生了很多問題，一方面，對算力的巨大需求會浪費電力和硬件資源；另一方面，這種共識算法的平均區(qū)塊輸出時間長達(dá)10 min，系統(tǒng)的吞吐量極低，因此無法應(yīng)用于低延遲和高效率的領(lǐng)域。

(2)權(quán)益證明

權(quán)益證機(jī)制，即POS(Proof-of-stake)機(jī)制，這是在區(qū)塊鏈發(fā)展過程中，由于POW造成的算力和電力資源浪費問題而提出，在POW的基礎(chǔ)上引入“幣齡”的機(jī)制，每一個想要參與使用POS機(jī)制的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的“礦工”，都必須交付一定量級的押金，才能夠有資格參與這個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊產(chǎn)生與驗證。

同時，驗證區(qū)塊的工作由原來的每一個參與者調(diào)整為隨機(jī)節(jié)點，被選擇的節(jié)點會暫時獲得產(chǎn)生區(qū)塊的權(quán)利，其余的節(jié)點則會驗證產(chǎn)生區(qū)塊內(nèi)容的合法性，一旦某些參與者不能夠再承擔(dān)產(chǎn)生區(qū)塊的權(quán)利，那么就會被調(diào)整為驗證人員，在原有的驗證人員中再隨機(jī)選出一個新的人員晉升為區(qū)塊的產(chǎn)生人員。

以太坊(一個開源的且有智能合約的公有區(qū)塊鏈平臺)在2022年的10月份開始，會逐步調(diào)整共識機(jī)制，由原來的POW調(diào)整至POS，以解決未來以太坊在發(fā)展過程中的區(qū)塊產(chǎn)生速率問題、電力和算力浪費問題、智能合約的發(fā)展問題。

(3)實用拜占庭容錯

實用拜占庭容錯算法，簡稱PBFT(practical byzantine fault tolerance)算法。PBFT算法的提出要遠(yuǎn)早于區(qū)塊鏈的產(chǎn)生，主要是為了解決在分布式的系統(tǒng)中的一致性問題，提高整個系統(tǒng)的容錯性。在該算法中，有3個節(jié)點，最多允許其中的個節(jié)點不誠實。同時，對每一個節(jié)點，輸入一個相同的信息，都會得到同樣的結(jié)果。

PBFT算法主要有3個階段：前期準(zhǔn)備、準(zhǔn)備、提交確認(rèn)。第一階段，客戶端發(fā)送請求給主節(jié)點。第二階段，主節(jié)點廣播客戶端發(fā)送的請求給其他節(jié)點，每一個收到信息的節(jié)點都會給予相同的回應(yīng)。第三階段，客戶端收到+1個節(jié)點的相同的消息后，通過驗證。

在使用PBFT算法的系統(tǒng)中，優(yōu)點很明顯，少量節(jié)點可以快速達(dá)成共識，不需要耗費大量的算力和電力資源。但是缺點也很明顯，頻繁的網(wǎng)絡(luò)通信使得整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模受到限制，沒加入一個節(jié)點，整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通信產(chǎn)生的開銷也會呈指數(shù)級增長，相對的一次驗證的響應(yīng)時間也會變長，所以這種共識機(jī)制并不適合規(guī)模較大的公有區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，只適合小規(guī)模的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

2.3 智能合約

智能合約是典型的數(shù)字協(xié)議，使用算法和程序來編譯合同條款，并部署在區(qū)塊鏈上，能夠根據(jù)某些規(guī)則和模式自動執(zhí)行。區(qū)塊鏈實現(xiàn)了去中心化的存儲，智能合約依靠它實現(xiàn)了去中心化的計算。

起草和經(jīng)過驗證的智能合約由多方簽署，然后通過P2P網(wǎng)絡(luò)部署在區(qū)塊鏈上，P2P網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控區(qū)塊鏈的狀態(tài)，當(dāng)檢測到智能合約中預(yù)先封裝的一些狀態(tài)和觸發(fā)規(guī)則時，便激活合約。智能合約的工作原理如圖2所示。當(dāng)達(dá)到智能合約的觸發(fā)條件，智能合約便會做出響應(yīng)，一般來講，合約的執(zhí)行結(jié)果往往會導(dǎo)致區(qū)塊鏈中的某些賬戶和區(qū)塊的狀態(tài)發(fā)生改變，比如，賬戶資金的增長和減少，區(qū)塊上新增某筆交易。

目前智能合約的發(fā)展并不完善，還存在很多問題和漏洞，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：函數(shù)重入、整數(shù)溢出、時間戳依賴和調(diào)用棧深度溢出。因此，有必要對代碼進(jìn)行測試和審計。

圖2 智能合約運行原理

在以太坊白皮書中，智能合約應(yīng)用分為3類：金融場景、半金融場景和非金融場景，如圖3所示，其中列出了幾個主要應(yīng)用場景。包含場景非常廣泛，涵蓋醫(yī)療、能源、教育、物聯(lián)網(wǎng)等多個領(lǐng)域。

3 挖礦

在計算哈希難題的過程中，所有節(jié)點都在比拼自己掌握的算力，只有第一個解決難題的節(jié)點才能打包一個新的區(qū)塊并將其添加到區(qū)塊鏈上，并獲得系統(tǒng)給與的一定量的獎勵(包括區(qū)塊的產(chǎn)生獎勵和后續(xù)其他節(jié)點使用這個區(qū)塊轉(zhuǎn)賬的“手續(xù)費”)。但是某些礦工本身的算力是有限的，單憑自己并沒有辦法和一些手握大算力的礦工競爭，礦池便應(yīng)運而生，礦池的主要作用便是將多個礦工的算力集合到一起，作為一個大的整體去參與挖礦，一旦獲得挖礦的獎勵，便根據(jù)每一個礦工的算力和電力貢獻(xiàn)來分配拿到的獎勵。因此，很多個體挖礦用戶往往會選擇礦池加入，來穩(wěn)定獲取收益，當(dāng)然礦池服務(wù)也不會是免費的，第三方礦池服務(wù)商會在分配的獎勵中抽成作為服務(wù)費用。

3.1 挖礦協(xié)議

礦機(jī)和礦池之間常見的通信協(xié)議包括stratum tcp、getwork。礦機(jī)向礦池發(fā)起任務(wù)訂閱、身份認(rèn)證、提交結(jié)果等請求，礦池向礦機(jī)下發(fā)難度調(diào)整、反饋提交結(jié)果、反饋任務(wù)分配結(jié)果等。每個礦池都會有自定義部分，但總體上還是采用了這2種協(xié)議。

Stratum的工作流程大致如圖4所示，可以簡單描述為5步。

圖4 stratum tcp工作流程

(1)任務(wù)訂閱。礦工首先用mining.subscribe方法連接到指定礦池，用于在礦池登記并訂閱挖礦任務(wù)。礦池用mining.notify返回訂閱號、難度值、難度值補(bǔ)充字段。

(2)礦工登錄。礦工使用mining.authorize方法，通過賬戶和密碼作為驗證，登錄礦池(密碼可以為空)。

(3)任務(wù)分配。由礦池使用mining.notify方法發(fā)送給礦工有關(guān)本次任務(wù)的相關(guān)信息。當(dāng)?shù)V工訂閱并登錄后，礦池不斷使用mining.notify方法返回任務(wù)狀態(tài)。在mining.notify方法中包含任務(wù)狀態(tài)的標(biāo)志位：如果為true，礦工放棄正在執(zhí)行的任務(wù)，立即開始在新的區(qū)塊上開啟新的任務(wù)；如果為false，則等待當(dāng)前任務(wù)完成后再開始新任務(wù)。

(4)提交結(jié)果。當(dāng)?shù)V工找到滿足難度的哈希計算結(jié)果時，使用mining.submit方法將計算結(jié)果提交給礦池。如果礦池返回true，說明結(jié)果符合預(yù)期，提交成功，如果失敗，則會有具體的錯誤原因返回。

(5)難度調(diào)整。礦池用mining.set_difficulty方法，將難度調(diào)整的指令下發(fā)到本礦池中的所有礦工，告知當(dāng)前應(yīng)該使用的難度值（nonce字段），礦工使用新的難度作為計算的依據(jù)之一，開始新一輪的計算。

GetWork是早期挖礦協(xié)議，那時ASIC礦機(jī)尚未大規(guī)模部署，當(dāng)ASIC時代來臨后由于其效率低下早已淘汰。但是，目前礦機(jī)內(nèi)部的通信方式與GetWork依然類似。

(1)發(fā)起RPC請求

{"method":"getwork","params":[],"id":1}

(2)RPC響應(yīng)

{"id":"1","result":{"hash1":"","midstate":"","target":""}, "error": null}

其中，target為目標(biāo)難度，hash1為固定值，可以忽略掉。data段大小為128字節(jié)，塊頭大小為80字節(jié)，因為采用了SHA256算法，該算法會將輸入數(shù)據(jù)分割為512 bits來處理，若輸入長度不是512的整數(shù)倍，則會補(bǔ)零，512 bits是64字節(jié)，那么塊頭為80字節(jié)，需要補(bǔ)齊為1 024 bits(512的倍數(shù))。SHA256補(bǔ)零規(guī)則：首先填1 bit的1，再填入個零，最后8字節(jié)為數(shù)據(jù)總長度。

3.2 挖礦的危害

一方面，“挖礦”活動耗費大量電力，能耗和碳排放強(qiáng)度高，對我國碳中和、碳峰值目標(biāo)的實現(xiàn)產(chǎn)生較大影響，加大了部分地區(qū)能源保障的供應(yīng)壓力，加劇了相關(guān)電子信息產(chǎn)品的供需矛盾；另一方面，虛擬幣投機(jī)交易擾亂了中國正常的金融秩序，催生了違法犯罪活動，大量的挖礦木馬、蠕蟲在網(wǎng)絡(luò)上傳播，造成的影響異常惡劣。

虛擬幣的價格是極不穩(wěn)定的，以比特幣為例，比特幣的供應(yīng)每4年就會減半，每4年供求關(guān)系的平衡就會被打破，供應(yīng)變得緊缺，而需求仍然持續(xù)增加，因而比特幣的價格會迎來一次次的暴漲。過去的2次減半，都導(dǎo)致了比特幣暴漲。每4年就相當(dāng)于1個周期，如果5個周期以后，也即20年以后，比特幣就可以漲到1.6億元人民幣。如果是線性增長，從4年前，也即2018年開始算起，比特幣的價格約為4萬元人民幣，假設(shè)每個周期僅僅需要漲到5.25倍。4年后，比特幣價格會達(dá)到21萬元；8年后，比特幣價格110萬元；12年后比特幣價格579萬元；16年后，比特幣價格3 039萬元；20年后，比特幣價格1.6億元。實際上在2022年初期時，比特幣的價格是遠(yuǎn)超過這個計算的，一度達(dá)到了45 000美元(約合人民幣250 000元)，但在2021年年底時，便已經(jīng)達(dá)到了63 000美元(約合人民幣420 000元)。

虛擬幣價格雖然極其不穩(wěn)定，但是長期來看已經(jīng)是屬于體量逐年暴漲的行業(yè)，大量黑客也在2017年前后開始投放挖礦木馬、蠕蟲，利用各種漏洞將挖礦軟件植入受害者終端。經(jīng)過多年的更新?lián)Q代，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上常見的挖礦木馬如下。

(1)DTSleater(永恒之藍(lán)下載器)：利用“驅(qū)動人生”軟件的更新鏈接和永恒之藍(lán)漏洞進(jìn)行大范圍傳播，后續(xù)又產(chǎn)生了多個變種，新增了竊密、內(nèi)網(wǎng)掃描、僵尸網(wǎng)絡(luò)等各種惡意功能。

(2)WannaMine病毒：主要針對政府、企業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院等單位，掃描445端口的“永恒之藍(lán)”漏洞，進(jìn)入主機(jī)后會在內(nèi)網(wǎng)做橫向傳播。

(3)Sysrv-hello病毒：該病毒與以上2個病毒只針對Windows平臺不同，也涵蓋Linux平臺，自帶漏洞利用與掃描功能，針對政府、企業(yè)、學(xué)校等單位，一旦進(jìn)入受害者主機(jī)，便會建立守護(hù)進(jìn)程，不間斷地使用挖礦程序。

(4)H2Miner病毒：起初是針對Linux平臺的挖礦病毒，后續(xù)又涵蓋了Windows平臺，主要手段是通過僵尸網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程代碼執(zhí)行進(jìn)入目標(biāo)主機(jī)。

4 結(jié)束語

對現(xiàn)有的主流虛擬幣的核心技術(shù)—區(qū)塊鏈技術(shù)的運行原理進(jìn)行了總結(jié)，并說明了當(dāng)前虛擬幣的過度發(fā)展對于國家和社會穩(wěn)定的危害，對未來區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展做出了說明，區(qū)塊鏈技術(shù)是一項具有革新意義的技術(shù)，在未來一定會被更廣泛地應(yīng)用到各領(lǐng)域之中，但是對區(qū)塊鏈技術(shù)的錯誤使用，會嚴(yán)重危害經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會穩(wěn)定。

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Research on Blockchain and Mining Technology

XING Zhi-peng1, LI Xin1, HUANG Jing-jing2

（1. Electronics and Information Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China; 2. Liaoning University of Technology Industrial Corporation, Jinzhou 121001, China）

The article summarizes the current research direction and research results of blockchain technology, after that starting from blockchain, it explains the structure of current blockchain system, common consensus algorithms used, the future development prospect of blockchain, and introduces the relationship between blockchain, virtual coin and mining, elaborates the current situation and future development trend of virtual coin market, common mining protocol and the harm caused by the current mining proliferation.

blockchain; mining; virtual coins; consensus algorithms; mining trojans

10.15916/j.issn1674-3261.2023.03.006

TP311

A

1674-3261(2023)03-0169-05

2022-10-24

邢志鵬(1998-)，男，山東泰安人，碩士生。

李昕(1966-)，男(滿族)，遼寧錦州人，教授，博士。

責(zé)任編輯：孫 林