比特幣網絡的 nonce 隨機數分佈暗示了多年來挖礦硬件的使用情況如何發生了變化。

原文標題:《比特幣礦機的王朝更替:通過 nonce 分佈圖來追蹤 S9 和 S17 礦工》
撰文:Karim Helmy、Coin Metrics
編譯:灑脫喜

隨着比特幣即將迎來下一次產量減半,其網絡正在經歷多個過渡過程。除了獎勵調整導致挖礦經濟發生重大變化之外,比特大陸的 Antminer S17 礦機也在取代長期存在的 S9 系列礦機,併成爲網絡主導挖礦硬件。

據悉,比特大陸是在 2016 年發佈的 Antminer S9,此後其迅速成爲市場上最受歡迎的 SHA-256 礦機,而經過幾年的發展,S9 依舊在市場上佔據了很大一部分比例。

由於缺乏有關各個礦工使用的挖礦硬件類型的公開數據,因此很難衡量這種過渡的發生速度。不過,有一個信號源確實揭示了挖礦硬件的變化趨勢:網絡的 nonce 隨機數分佈。這些任意數字的排列方式(礦工將其納入在每個區塊的哈希中),暗示了多年來挖礦硬件的使用情況如何發生了變化。

在關於網絡狀態的上一期報告中,我們研究瞭如何使用隨機數分佈模式來發現 ASIC 的興起。而在本期報告中,我們將進一步探討比特幣 nonce 隨機數分佈的特殊性,以及該分佈條紋背後的來源,以調查挖礦硬件的最新變化。然後,我們將按礦池細分這些數據,從而可以更深入地瞭解特定礦池所使用的硬件。

通過金色彈珠瞭解比特幣挖礦的過程

挖礦是比特幣安全模型的關鍵部分,可以說它是對以往數字貨幣創建嘗試的最重要改進。儘管挖礦的含義相當複雜,但其背後的概念卻相對易於理解。

從礦工的角度來看,挖取一個區塊類似於反覆從袋子中選擇彈珠,而不進行替換。要知道的是,袋子中彈珠的數量非常龐大,其中藍色彈珠的比例非常之大,而金色彈珠的比例卻很小。而礦工從袋子中取出金色彈珠時,就會收到一筆獎勵。

用更技術的術語來進行解釋:比特幣礦工們競相尋找的是一個金色的隨機數,該隨機數被添加到提議的區塊頭後,會被哈希至網絡難度參數確定的某個特定值以下。礦工通過猜測值,並檢查結果哈希值是否低於某個閾值來搜索這個只能使用一次的 nonce 或任意數字。第一個爲有效區塊找到該值,並將其廣播到網絡的礦工,有權選擇和排序區塊中的交易,這是最終使這些交易有效的必要步驟。

作爲回報,礦工可以獲得一筆區塊獎勵,並從區塊中包含的任何交易中收取手續費用,這兩者都是通過特殊的 coinbase 交易獲得的。假設 SHA-256 哈希函數的屬性保持不變,則任何給定區塊的金色 nonce 的分佈都是隨機的,除非通過蠻力計算,否則無法找到金色隨機數。

由於對 coinbase 交易的引用包含在區塊頭中,因此每個挖礦實體都從不同的分佈中進行採樣。換句話說,每個實體都是從不同的袋子中取出彈珠,而袋子中裝有相同數量的彈珠,並且期望藍色和金色彈珠的比例是相同的。

而金色彈珠的比例,是由網絡難度參數(由網絡自動調整的)決定的,並在相關時期內固定。如今,由於較高的區塊難度及隨機方差,對於特定的區塊頭,通常沒有金色的 nonce 隨機數。換句話說,有些袋子當中,是沒有金色彈珠的。

而耗盡擬議區塊隨機數空間的礦工,通常會增加區塊的時間戳,以生成一組新的隨機數。也就是說,當礦工取完彈珠後,他們會抓起一個新的裝滿彈珠的袋子。如果時間戳已到了進一步調整使其無效的地步,礦工必須調整該區塊中包含的交易集。類似地,如果一名礦工在房間裏的袋子用完了,他們需要從另一個房間裏多搶一些,而這是時間密集型的。

爲了增加在固定時間內找到金色彈珠的概率,礦工們可以將他們的計算並行化,這類似於一次抓一把彈珠,而不是每次抓一顆。通過使用適合該任務的硬件(特別是 GPU 和稱爲 ASIC 的專用芯片),就可以並行查找 nonce 隨機數。而 ASIC 的並行化效率,要比任何其它方法都要高。

而在另一種形式的並行化計算中,幾個礦工協調他們的 nonce 發現,並同意分割任何挖礦回報,而以這種方式行事的礦工羣體,被稱爲礦池,而其運營商通常會收取一定的費用,個體礦工會接受該費用,以降低其收入的波動性。

比特幣的 Nonce 隨機數分佈

比特幣的難度參數是每兩週調整一次,如此,如果網絡上執行的計算量保持不變,平均每 10 分鐘就會產生一個新區塊。此功能可確保,即使算力可能發生較大的變化,網絡也將繼續運行。在一個以並行計算礦工爲主導的充分競爭的挖礦市場中,我們可以預期,隨着時間的流逝,金色 nonce 隨機數的分佈圖,看起來應該像是均勻分佈的。但令人驚訝的是,事實並非如此。

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡

圖左側附近的非隨機分佈,可歸因於通過從 0 開始的迭代測試值進行挖礦。如果一個礦工是通過 CPU,並且是作爲個人而沒有進行並行化挖礦,因此其不可能與池中的其他成員發生衝突,那麼該策略與其他策略一樣有效,因爲每個新區塊的 nonce 分佈是獨立的。而這種模式的消失,與 GPU 礦工的引入相吻合,因爲 GPU 礦工使計算實現了並行化。

在圖的右側附近,有一個條紋狀的區域,其中的 nonce 隨機數很少。據我們所知,這種異常首先是由 Twitter 用戶 @100TrillionUSD 在 2019 年 1 月發現的。下面對該區域進行了標記。

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡

此後不久,BitMEX 的研究論文探討了這種奇怪的模式,其推測稱這種異常是由於有爭議的挖礦優化技術 AsicBoost 造成的。

AsicBoost 有兩種變體:1、隱性 AsicBoost (無法在鏈上確定地觀察到),2、公開的 AsicBoost (可以在鏈上明確觀察到)。 BitMEX 研究團隊討論了這兩種變體,但對隱性 AsicBoost 的效果特別感興趣,隨着 2017 年 8 月隔離見證(SegWit)的激活,非空區塊幾乎無法使用隱性 AsicBoost。當然,研究人員也無法證實他們的猜測。

在 2019 年 10 月的第 23 期報告中,我們深入研究了比特幣的 nonce 隨機數分佈,並指出了條紋圖案。從那時起,條紋圖案逐漸消失,最近開採的區塊隨機數似乎更加隨機地分佈。

然而,隨機數分佈中的異常,似乎與 AsicBoost 沒有直接關係。隱性 AsicBoost 在 2017 年已變得不可用,並且首個支持公開 AsicBoost 的固件更新是在 2018 年 10 月發佈的,但這兩個日期之間的 nonce 分佈條紋是清晰可見的。此外,雖然公開 AsicBoost 的使用率仍然很高,但無論是否存在明顯的 AsicBoost,在新產出的區塊中,這種異常模式都不再可見。

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡

而另一種可能則是,nonce 隨機數分佈中的模式,或許是由比特大陸的 Antminer S7 和 S9 礦工家族對 nonce 隨機數採樣的方式引起的。此圖像可能是由優化帶來的副作用引起,並且最終對礦工和網絡而言均是無害的。

當觀察網絡上的所有 nonce 隨機數值時,條紋圖案首先在 2015 年末變得清晰,這與當年比特大陸在 8 月下旬發佈 S7 並在 9 月下旬完成訂單的時間一致。

Antminer S9 是於 2016 年 5 月下旬發佈,第一批購買者於當年 6 月中旬收到訂單。不久之後,隨着 S9 取代 S7 成爲當時比特幣網絡的主導礦機,條紋變得越來越狹窄。

而該模式最近的崩潰,與從 S9 過渡到 Antminer S17 (網絡上的主要礦機)相吻合。儘管 S17 是於 2019 年 4 月發佈的,但由於挖礦經濟的原因,直到最近,礦工們仍在使用着 S9。

彙總分析

通過對每個區塊的礦工數據集進行分層,我們可以更細粒度地查看 nonce 分佈。

我們知道,區塊的礦工通常是通過區塊的 coinbase 數據字段中的標記來標識的,而這些標識是自願提供的,有可能存在僞造的情況,礦工不需要留下信息,其可以選擇留下另一個礦池的標籤來代替其自己的。因此,在某些情況下,這些誤導行爲甚至存在着激勵,因此我們應認識到這種方法的缺點。然而,這項技術目前已成爲了行業標準,雖然很多礦工選擇不留下識別碼,但我們並不認爲大規模僞造正在發生。

一旦我們按礦工對區塊進行了分類,就可以將這些信息合併到我們的比特幣 nonce 隨機數分佈圖中。

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡

我們還可以查看各個礦池的 nonce 隨機數分佈。即使在這種情況下,異常模式仍然是可見的。請看下面的圖表,其中顯示了由 Antpool 和 BTC.com (兩者均是比特大陸旗下),以及 ViaBTC 開採的區塊。

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡

在比特大陸附屬礦池的 nonce 分佈中,條紋模式要顯得更加清晰。這表明,在相關期間,這些礦池中 S7 和 S9 礦機的比例較高,鑑於礦池與這些礦機的製造商之間的關聯,這是符合預期的。

2015 年,未知實體開採的區塊比例出現了大幅下降,這是區塊擴容戰爭帶來的結果,在此期間, 很多此前匿名的礦工開始在鏈上表明自己的身份,以表示支持或反對區塊大小的增加。如今,通過哈希算力,我們可以識別出絕大多數的礦工。在未知礦工開採的區塊 nonce 隨機數中,條紋狀圖案隱約可見,它們的逐步消失也是如此。

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡

結論

Antminer S9 自 2016 年發佈以來,一直是比特幣網絡上使用最多的一款礦機機型。儘管比特大陸在去年發佈了 S17,但 S9 在一段時間內仍保持經濟運行,但鑑於全網算力不斷提高,並且市場狀況不斷變化,該型號礦機正被逐步淘汰。

在礦工們從 S9 向 S17 過渡的同時,以前是比特幣隨機數分佈定義特徵的條紋模式已經消失。這些神祕的條紋出現在一個看起來隨機的空間中,其來源一直是人們猜測的主題。而條紋可見性的時間點,證明了這樣一種理論,即這些線條是挖礦硬件帶來的產物,特別是之前的 S9 和 S7。

Nonce 數據允許我們僅通過公共信息,以一種本來不可能的方式來衡量這種轉變的規模和速度。通過利用 S9 在 nonce 採樣中留下的痕跡,我們可以估計網絡上這些礦工的比例。而按礦池對這些數據進行分離,提供了有關礦工作業效率的獨特信息,我們將在以後的報告中進行介紹。

網絡數據一週洞察

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡

過去一週,比特幣(BTC)挖礦業顯示出了健康的復甦跡象,網絡算力大約增長了 7.3%。效率低下的礦機 可能已開始投降,並被效率更高的礦機所取代,這對於網絡的長期健康而言是有利的。有關礦工經濟學的更多信息以及近期難度降低的影響,請參閱網絡狀況第 44 期報告。

此外,BTC 活躍地址數本週也顯示出復甦的積極跡象,其數據增長了 6.3%。相比之下,以太坊(ETH)的活躍地址卻朝着相反的方向發展,其上週同比下降了 13.4%。

網絡數據亮點

自 3 月 12 日比特幣市場經歷大暴跌以來,持有少量 BTC 的地址數量一直在增加。

在過去 90 天內,持有 BTC 總供應量十億分之一至億分之一之間的地址數,增加了大約 6%。同樣,佔總供應量的億分之一至千萬分之一之間的地址數,增加了大約 4%。

從 3 月 12 日左右開始,兩者的增長率都顯著提高。隨着新用戶開始獲取相對少量的 BTC,這可能表明採用率正在增長。

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡數據來自 Coin Metrics

在我們的研究範圍內,交易所持有的 ETH 數量有所增加,相比之下,交易所持有的 BTC 數量卻有所減少。

其中,ETH 數增加了大約 5%,而 BTC 數則減少了大約 3%,BTC 的下降,主要是和 BitMEX 持有的供應量迅速減少有關。

下圖顯示了以下交易所持有的 ETH 和 BTC 總量的 30 天變化情況(Bitfinex,Binance,Bitstamp,Bittrex,Gemini,Huobi,Kraken,BitMEX 和 Poloniex)。

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡

在我們研究的所有交易所中,Bitfinex 的 ETH 供應增長最大。在過去的 30 天裏,Bitfinex 持有的 ETH 數量增加了約 17%,而其它交易所的增長均未超過 10%。

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡

市場數據分析

過去一週,加密貨幣市場開始攀升,並開始彌補 3 月 12 日遭受的損失。我們先前的研究發現,3 月 12 日的拋售是由短期持有者推動的,並受到 BitMEX 清算螺旋的影響。形成廣泛共識的是,這種拋售,反映了在傳統市場中看到的拋售,而 Coinbase 用戶活動的增加,表明散戶投資者的情緒似乎並未受到影響。

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡

而關於比特幣屬於「風險資產」與「避險資產」的爭論,仍在繼續。一些市場參與者觀察到,在過去一個月裏,比特幣的「避風港」敘述遭到了破壞,這對機構投資者進入該領域的意願產生了負面影響。

而通過研究比特幣和黃金,可以提供一些證據,這表明這種敘述是存在一定道理的,而且可能比以往任何時候都要更強大。

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡

根據數據顯示,在過去的 30 天,比特幣與黃金的相關性已達到了歷史高點。

比特幣隨機數分佈圖蘊藏的信息:S9 礦工在向 S17 過渡

來源鏈接:coinmetrics.substack.com