减半后的比特币网络：大量S9矿工重启，网络算力下降40%，交易费上涨……

总结

区块奖励目前是矿工的主要收入来源。由于减半带来的区块奖励减少会导致部分矿工退出网络，短期内，突然减少的矿工可能会使网络更容易受到51%攻击等安全威胁。

网络算力在不同类型的挖矿硬件之间的分布也会影响网络的安全属性。二级市场上旧矿机的可用性对网络构成潜在威胁。

涉及随机数分布的新技术使我们能够以数字方式估计某些类型的采矿硬件对比特币网络的计算能力有多少，包括 S7 和 S9 等旧硬件。

现在看来，之前大量离线的S9硬件已经重新启用了。目前蚂蚁S9系列矿机约占比特币算力的32%。

虽然 S9 矿工产生的算力远不足以对比特币网络发起 51% 攻击，但它们给网络安全动态带来的变化是显着的。

快乐减半

5 月 11 日，比特币历史上第三次减半发生，即每块新发行的比特币数量减半。每 210,000 个区块或大约 4 年就会减半，直到比特币发行量最终降至零。

在最近的减半中，区块奖励从 12.5 BTC 降至 6.25 BTC。减半前期间，市场波动明显，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部分矿工退出网络。随着可分配的奖励收入越来越少，利润率越来越低，效率较低的矿工可能会突然发现自己处于亏损状态。从长远来看，随着市场的重新平衡，这些矿工通常会被更高效的挖矿业务所取代。但在短期内，矿工数量的突然下降可能会使网络更容易受到 51% 攻击等安全威胁。

我们之前在上一篇文章中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矿机的经济性。在此过程中，我们将使用 nounce 数据来估计当前比特币网络中某些类型的挖矿硬件的流行程度，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：一种是区块奖励（直接受减半影响）；另一个是交易费用。交易费用通常与对区块空间的需求成正比，因此在网络拥塞和高流量期间往往会增加。

目前，交易费用仅占矿工总收入的一小部分。在过去的 5 年里，只有大约 4.4% 的矿工收入来自交易费用。

由于比特币的区块奖励大约每四年减半，因此需要增加交易费用，以充分激励矿工保护比特币网络。在减半之前，交易费用已升至矿工总收入的 17% 左右；虽然整体奖励的减少加强了交易费用的影响，但减半后的交易费用本身已升至近一年来的最高水平。

自减半以来网络哈希率的减少可能会放大交易费用的增加。网络哈希率的降低是由于效率较低的矿工离开网络造成的。算力的下降增加了比特币网络的出块时间，从而减少了可用的出块空间量。

为了减少开支，矿工们通常会聚集在一起形成一个矿池，这是一个由运营商组织的松散的矿工联盟，通常根据矿工收入贡献的算力来共享挖矿。单个矿工通常会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。

只要单个恶意实体控制的比特币算力不超过 50%，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% 的攻击，攻击者需要勾结的最小矿池数量称为“中本系数”。在撰写本文时，前四大矿池需要合谋对比特币网络发起 51% 攻击。在比特币的历史进程中，这个数字（合谋发起 51% 攻击所需的矿池数量）总体呈上升趋势，表明比特币网络的去中心化程度稳步提高。

“Nakamoto 系数”并不是一个完美的衡量标准，它使比特币看起来比实际更加集中。个别矿工面临巨额前期成本（例如对矿机的前期投资）不愿攻击网络，这些矿工很可能会从恶意运行的矿池中跳槽（即选择不攻击网络）。

尽管如此，矿池会选择其成员矿工需要开采的区块比特币网络算力，并对成员矿工进行一定程度的控制（除非他们背叛）。攻击者还可能使用不到 50% 的计算能力通过“羽毛分叉[1]”等技术审查网络中的交易。因此，通过“中本系数”等不完善的指标来量化矿工集中度是很有用的。

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）。该实施建议让个别矿工选择他们想要开采的区块，而不是让矿池运营商选择。这种对矿池运作方式的潜在改进将使单个矿工掌握更多权力，从而进一步提高网络的去中心化程度。

除了不同矿池实体的算力分布，不同类型矿机的算力分布对网络的安全属性也有重要影响。

强化挖矿硬件

为了向区块链中添加一个区块，比特币矿工需要尝试找到一个nonce值，使得计算出的区块头（区块头的哈希）小于一个特定的目标值（即当区块头被哈希，nonce值不断修改，直到计算出的区块头哈希值小于Target值。比特币协议会每两周调整一次Target值，以调整网络的挖矿难度）。

区块头的哈希值被计算和验证的速率称为哈希率（算力），满足这个条件的nonce值称为“黄金nonce”。区块头的哈希值必须满足的阈值（即Target值）由网络的挖矿难度参数设定，根据网络的出块率周期性调整。

虽然比特币挖矿最初是使用 CPU 执行的，但挖矿过程与 GPU 并行，并在早期提高了挖矿效率。今天，几乎所有的挖矿都是使用包含所谓 ASIC 的专用芯片进行的。这些 ASIC 矿机运行速度更快，并行性更好，并且比其他矿机更节能。

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资产（挖矿设备）中，从而抑制他们的恶意行为。

但是较旧的采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（较旧的设备更便宜），尽管会有更高的运营成本（例如电费等，较旧的设备往往消耗更多能量）。尽管除了硬件成本之外，启动矿场还有其他实际和后勤成本，但旧硬件的存在使得进入采矿市场的资本资产显着减少。

由于采矿业的保密性，通常很难辨别正在使用哪些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计某些采矿硬件贡献的计算能力份额。

比特币的 nonce 值分布（见下图）让我们对网络上用于挖矿的硬件类型有所了解。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、略微过时的硬件所带来的风险水平。有关我们对比特币随机数分布分析的详细描述，请参阅我们的“信号与随机数”系列文章的第 1 [3] 部分和第 2 [4] 部分。

上图左侧附近，nonce值集中在分布图的较低范围内。这是矿工在 CPU 挖矿时代使用的随机抽样技术（以找到正确的 nonce 值）的结果，该技术涉及测试从 0 开始并不断增加的 nonce 值。 【备注：Sampling是指挖矿设备不断修改nonce值，直到计算出的块头hash值小于Target值】

上图也显示了比特币nonce值的分布也有条纹状的图案。出现在 2015 年底，最近开始消退。这些条纹开始很宽，然后突然变窄，然后逐渐消失。图中显示了四种不同的条纹，每一种都可以通过宽度来指定。

我们发现这些条纹源于比特大陆的蚂蚁矿机 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比特币网络算力，而 S9 最近已被 Antminer S17 矿工所取代。

条纹的宽度取决于 S7 和 S9 系列矿机分别使用的采样技术。我们可以利用这些知识来数值估计S7和S9提供的网络计算能力的比例。

上图：各种比特币矿机提供算力的百分比（%），绿线代表S7系列矿机提供的网络算力趋势，橙线代表S9矿机的变化趋势在网络提供的算力占比中，黑线代表其他类型矿机提供的算力占比变化趋势。

根据上图：

S7 及相关硬件提供的计算能力百分比在 2016 年 5 月达到峰值（约 61%）。目前，S7 并不能提供一小部分的计算能力。

S9 及相关硬件提供的算力占比在 2018 年 5 月达到峰值（约 78%）。目前，S9 系列矿机仅提供约 32% 的算力（即约 32% 的区块由 S9 系列矿机开采）。

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 于 2019 年 12 月发布的关于比特币挖矿的报告估计，在同类硬件中，S9 矿机提供的计算能力约占三分之二；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。

每种类型的采矿硬件提供的计算能力百分比使我们能够进一步了解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），绿线代表S7系列矿机提供的网络算力趋势，橙线代表S9提供的算力矿机。网络算力变化趋势，黑线代表其他类型矿机提供的算力变化趋势。顶部的虚线代表比特币网络总算力的趋势。

从上图中突出的是保护比特币网络的总哈希率（浅蓝色虚线）呈指数增长。

S9 系列矿机提供的计算能力在 2019 年 8 月达到峰值，当时它们产生了大约 52 EH/s。 2020 年 2 月，S9 矿机产生的估计哈希值在 21 EH/s 左右触底。

现在，可能是由于比特币最近的升值，曾经离线的大量 S9 硬件已经重新启用。该硬件目前的计算能力约为 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 美元到 80 美元之间[5]，而原价约为 3000 美元。鉴于当前的经济环境和中国雨季带来的廉价电力，矿工们发现利用这些设备获利是可能的。

虽然离线重启的S9矿工产生的算力还远远不足以对比特币发起51%的攻击，但它们的存在确实对网络安全的动态变化具有重要意义。

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)，可能会更强烈地感受到这种影响。目前BSV的网络算力约为2.5 EH/s，而BSV的网络算力约为1.8 EH/s。

网络减半后的比特币

由于机构投资者兴趣增加导致比特币减半的预期和乐观情绪，比特币的价格飙升。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。减半还加速了交易费用的增长，并导致网络哈希率略有下降。

与比特币减半相关的情绪将继续影响市场，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费用决定的模式。减半的长期影响还有待观察，但它对矿业经济和整个市场的影响已经很明显了。

在网络算力方面，减半后比特币的算力已经下降到 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。经过一段时间的动荡，高效的矿工将取代效率较低的采矿作业，比特币哈希率可能会恢复。但是，尚不清楚这个更换周期将持续多长时间。

在出块时间方面，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，当时算力的突然下降和随后的下降，在此期间，块之间的时间急剧增加）。

在交易费用方面，出块越少，对块空间的竞争越激烈，导致交易费用增加。支付更高的交易费用使矿工更有可能将交易打包到一个区块中。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，比特币的平均交易费用达到 2.88 美元，为 2019 年 6 月以来的最高水平。同样，5 月 14 日，以太坊交易费用中位数达到 0.25 美元，为 8 月以来的最高水平2018. 交易区域相对饱和时，交易费用中值往往会飙升。

在区块大小方面，减半后挖出的区块数量减少也导致了每个区块大小的增加。 5 月 17 日，比特币的平均区块大小达到了 1.32 MB 的历史新高。见下图：

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。但是，比特币现金 (BCH)、比特币 SV (BSV)、瑞波币 (XRP) 和莱特币 (LTC) 的交易费用并没有显着增长。