比特币随机数分布图蕴藏的信息:S9 矿工在向 S17 过渡

比特币网络的 nonce 随机数分布暗示了多年来挖矿硬件的使用情况如何发生了变化。

原文标题:《比特币矿机的王朝更替:通过 nonce 分布图来追踪 S9 和 S17 矿工》
撰文:Karim Helmy、Coin Metrics
编译:洒脱喜

随着比特币即将迎来下一次产量减半,其网络正在经历多个过渡过程。除了奖励调整导致挖矿经济发生重大变化之外,比特大陆的 Antminer S17 矿机也在取代长期存在的 S9 系列矿机,并成为网络主导挖矿硬件。

据悉,比特大陆是在 2016 年发布的 Antminer S9,此后其迅速成为市场上最受欢迎的 SHA-256 矿机,而经过几年的发展,S9 依旧在市场上占据了很大一部分比例。

由于缺乏有关各个矿工使用的挖矿硬件类型的公开数据,因此很难衡量这种过渡的发生速度。不过,有一个信号源确实揭示了挖矿硬件的变化趋势:网络的 nonce 随机数分布。这些任意数字的排列方式(矿工将其纳入在每个区块的哈希中),暗示了多年来挖矿硬件的使用情况如何发生了变化。

在关于网络状态的上一期报告中,我们研究了如何使用随机数分布模式来发现 ASIC 的兴起。而在本期报告中,我们将进一步探讨比特币 nonce 随机数分布的特殊性,以及该分布条纹背后的来源,以调查挖矿硬件的最新变化。然后,我们将按矿池细分这些数据,从而可以更深入地了解特定矿池所使用的硬件。

通过金色弹珠了解比特币挖矿的过程

挖矿是比特币安全模型的关键部分,可以说它是对以往数字货币创建尝试的最重要改进。尽管挖矿的含义相当复杂,但其背后的概念却相对易于理解。

从矿工的角度来看,挖取一个区块类似于反复从袋子中选择弹珠,而不进行替换。要知道的是,袋子中弹珠的数量非常庞大,其中蓝色弹珠的比例非常之大,而金色弹珠的比例却很小。而矿工从袋子中取出金色弹珠时,就会收到一笔奖励。

用更技术的术语来进行解释:比特币矿工们竞相寻找的是一个金色的随机数,该随机数被添加到提议的区块头后,会被哈希至网络难度参数确定的某个特定值以下。矿工通过猜测值,并检查结果哈希值是否低于某个阈值来搜索这个只能使用一次的 nonce 或任意数字。第一个为有效区块找到该值,并将其广播到网络的矿工,有权选择和排序区块中的交易,这是最终使这些交易有效的必要步骤。

作为回报,矿工可以获得一笔区块奖励,并从区块中包含的任何交易中收取手续费用,这两者都是通过特殊的 coinbase 交易获得的。假设 SHA-256 哈希函数的属性保持不变,则任何给定区块的金色 nonce 的分布都是随机的,除非通过蛮力计算,否则无法找到金色随机数。

由于对 coinbase 交易的引用包含在区块头中,因此每个挖矿实体都从不同的分布中进行采样。换句话说,每个实体都是从不同的袋子中取出弹珠,而袋子中装有相同数量的弹珠,并且期望蓝色和金色弹珠的比例是相同的。

而金色弹珠的比例,是由网络难度参数(由网络自动调整的)决定的,并在相关时期内固定。如今,由于较高的区块难度及随机方差,对于特定的区块头,通常没有金色的 nonce 随机数。换句话说,有些袋子当中,是没有金色弹珠的。

而耗尽拟议区块随机数空间的矿工,通常会增加区块的时间戳,以生成一组新的随机数。也就是说,当矿工取完弹珠后,他们会抓起一个新的装满弹珠的袋子。如果时间戳已到了进一步调整使其无效的地步,矿工必须调整该区块中包含的交易集。类似地,如果一名矿工在房间里的袋子用完了,他们需要从另一个房间里多抢一些,而这是时间密集型的。

为了增加在固定时间内找到金色弹珠的概率,矿工们可以将他们的计算并行化,这类似于一次抓一把弹珠,而不是每次抓一颗。通过使用适合该任务的硬件(特别是 GPU 和称为 ASIC 的专用芯片),就可以并行查找 nonce 随机数。而 ASIC 的并行化效率,要比任何其它方法都要高。

而在另一种形式的并行化计算中,几个矿工协调他们的 nonce 发现,并同意分割任何挖矿回报,而以这种方式行事的矿工群体,被称为矿池,而其运营商通常会收取一定的费用,个体矿工会接受该费用,以降低其收入的波动性。

比特币的 Nonce 随机数分布

比特币的难度参数是每两周调整一次,如此,如果网络上执行的计算量保持不变,平均每 10 分钟就会产生一个新区块。此功能可确保,即使算力可能发生较大的变化,网络也将继续运行。在一个以并行计算矿工为主导的充分竞争的挖矿市场中,我们可以预期,随着时间的流逝,金色 nonce 随机数的分布图,看起来应该像是均匀分布的。但令人惊讶的是,事实并非如此。

比特币随机数分布图蕴藏的信息:S9 矿工在向 S17 过渡

图左侧附近的非随机分布,可归因于通过从 0 开始的迭代测试值进行挖矿。如果一个矿工是通过 CPU,并且是作为个人而没有进行并行化挖矿,因此其不可能与池中的其他成员发生冲突,那么该策略与其他策略一样有效,因为每个新区块的 nonce 分布是独立的。而这种模式的消失,与 GPU 矿工的引入相吻合,因为 GPU 矿工使计算实现了并行化。

在图的右侧附近,有一个条纹状的区域,其中的 nonce 随机数很少。据我们所知,这种异常首先是由 Twitter 用户 @100TrillionUSD 在 2019 年 1 月发现的。下面对该区域进行了标记。

比特币随机数分布图蕴藏的信息:S9 矿工在向 S17 过渡

此后不久,BitMEX 的研究论文探讨了这种奇怪的模式,其推测称这种异常是由于有争议的挖矿优化技术 AsicBoost 造成的。

AsicBoost 有两种变体:1、隐性 AsicBoost (无法在链上确定地观察到),2、公开的 AsicBoost (可以在链上明确观察到)。 BitMEX 研究团队讨论了这两种变体,但对隐性 AsicBoost 的效果特别感兴趣,随着 2017 年 8 月隔离见证(SegWit)的激活,非空区块几乎无法使用隐性 AsicBoost。当然,研究人员也无法证实他们的猜测。

在 2019 年 10 月的第 23 期报告中,我们深入研究了比特币的 nonce 随机数分布,并指出了条纹图案。从那时起,条纹图案逐渐消失,最近开采的区块随机数似乎更加随机地分布。

然而,随机数分布中的异常,似乎与 AsicBoost 没有直接关系。隐性 AsicBoost 在 2017 年已变得不可用,并且首个支持公开 AsicBoost 的固件更新是在 2018 年 10 月发布的,但这两个日期之间的 nonce 分布条纹是清晰可见的。此外,虽然公开 AsicBoost 的使用率仍然很高,但无论是否存在明显的 AsicBoost,在新产出的区块中,这种异常模式都不再可见。

比特币随机数分布图蕴藏的信息:S9 矿工在向 S17 过渡

而另一种可能则是,nonce 随机数分布中的模式,或许是由比特大陆的 Antminer S7 和 S9 矿工家族对 nonce 随机数采样的方式引起的。此图像可能是由优化带来的副作用引起,并且最终对矿工和网络而言均是无害的。

当观察网络上的所有 nonce 随机数值时,条纹图案首先在 2015 年末变得清晰,这与当年比特大陆在 8 月下旬发布 S7 并在 9 月下旬完成订单的时间一致。

Antminer S9 是于 2016 年 5 月下旬发布,第一批购买者于当年 6 月中旬收到订单。不久之后,随着 S9 取代 S7 成为当时比特币网络的主导矿机,条纹变得越来越狭窄。

而该模式最近的崩溃,与从 S9 过渡到 Antminer S17 (网络上的主要矿机)相吻合。尽管 S17 是于 2019 年 4 月发布的,但由于挖矿经济的原因,直到最近,矿工们仍在使用着 S9。

汇总分析

通过对每个区块的矿工数据集进行分层,我们可以更细粒度地查看 nonce 分布。

我们知道,区块的矿工通常是通过区块的 coinbase 数据字段中的标记来标识的,而这些标识是自愿提供的,有可能存在伪造的情况,矿工不需要留下信息,其可以选择留下另一个矿池的标签来代替其自己的。因此,在某些情况下,这些误导行为甚至存在着激励,因此我们应认识到这种方法的缺点。然而,这项技术目前已成为了行业标准,虽然很多矿工选择不留下识别码,但我们并不认为大规模伪造正在发生。

一旦我们按矿工对区块进行了分类,就可以将这些信息合并到我们的比特币 nonce 随机数分布图中。

比特币随机数分布图蕴藏的信息:S9 矿工在向 S17 过渡

我们还可以查看各个矿池的 nonce 随机数分布。即使在这种情况下,异常模式仍然是可见的。请看下面的图表,其中显示了由 Antpool 和 BTC.com (两者均是比特大陆旗下),以及 ViaBTC 开采的区块。

比特币随机数分布图蕴藏的信息:S9 矿工在向 S17 过渡

在比特大陆附属矿池的 nonce 分布中,条纹模式要显得更加清晰。这表明,在相关期间,这些矿池中 S7 和 S9 矿机的比例较高,鉴于矿池与这些矿机的制造商之间的关联,这是符合预期的。

2015 年,未知实体开采的区块比例出现了大幅下降,这是区块扩容战争带来的结果,在此期间, 很多此前匿名的矿工开始在链上表明自己的身份,以表示支持或反对区块大小的增加。如今,通过哈希算力,我们可以识别出绝大多数的矿工。在未知矿工开采的区块 nonce 随机数中,条纹状图案隐约可见,它们的逐步消失也是如此。

比特币随机数分布图蕴藏的信息:S9 矿工在向 S17 过渡

结论

Antminer S9 自 2016 年发布以来,一直是比特币网络上使用最多的一款矿机机型。尽管比特大陆在去年发布了 S17,但 S9 在一段时间内仍保持经济运行,但鉴于全网算力不断提高,并且市场状况不断变化,该型号矿机正被逐步淘汰。

在矿工们从 S9 向 S17 过渡的同时,以前是比特币随机数分布定义特征的条纹模式已经消失。这些神秘的条纹出现在一个看起来随机的空间中,其来源一直是人们猜测的主题。而条纹可见性的时间点,证明了这样一种理论,即这些线条是挖矿硬件带来的产物,特别是之前的 S9 和 S7。

Nonce 数据允许我们仅通过公共信息,以一种本来不可能的方式来衡量这种转变的规模和速度。通过利用 S9 在 nonce 采样中留下的痕迹,我们可以估计网络上这些矿工的比例。而按矿池对这些数据进行分离,提供了有关矿工作业效率的独特信息,我们将在以后的报告中进行介绍。

网络数据一周洞察

比特币随机数分布图蕴藏的信息:S9 矿工在向 S17 过渡

过去一周,比特币(BTC)挖矿业显示出了健康的复苏迹象,网络算力大约增长了 7.3%。效率低下的矿机 可能已开始投降,并被效率更高的矿机所取代,这对于网络的长期健康而言是有利的。有关矿工经济学的更多信息以及近期难度降低的影响,请参阅网络状况第 44 期报告。

此外,BTC 活跃地址数本周也显示出复苏的积极迹象,其数据增长了 6.3%。相比之下,以太坊(ETH)的活跃地址却朝着相反的方向发展,其上周同比下降了 13.4%。

网络数据亮点

自 3 月 12 日比特币市场经历大暴跌以来,持有少量 BTC 的地址数量一直在增加。

在过去 90 天内,持有 BTC 总供应量十亿分之一至亿分之一之间的地址数,增加了大约 6%。同样,占总供应量的亿分之一至千万分之一之间的地址数,增加了大约 4%。

从 3 月 12 日左右开始,两者的增长率都显著提高。随着新用户开始获取相对少量的 BTC,这可能表明采用率正在增长。

比特币随机数分布图蕴藏的信息:S9 矿工在向 S17 过渡数据来自 Coin Metrics

在我们的研究范围内,交易所持有的 ETH 数量有所增加,相比之下,交易所持有的 BTC 数量却有所减少。

其中,ETH 数增加了大约 5%,而 BTC 数则减少了大约 3%,BTC 的下降,主要是和 BitMEX 持有的供应量迅速减少有关。

下图显示了以下交易所持有的 ETH 和 BTC 总量的 30 天变化情况(Bitfinex,Binance,Bitstamp,Bittrex,Gemini,Huobi,Kraken,BitMEX 和 Poloniex)。

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在我们研究的所有交易所中,Bitfinex 的 ETH 供应增长最大。在过去的 30 天里,Bitfinex 持有的 ETH 数量增加了约 17%,而其它交易所的增长均未超过 10%。

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市场数据分析

过去一周,加密货币市场开始攀升,并开始弥补 3 月 12 日遭受的损失。我们先前的研究发现,3 月 12 日的抛售是由短期持有者推动的,并受到 BitMEX 清算螺旋的影响。形成广泛共识的是,这种抛售,反映了在传统市场中看到的抛售,而 Coinbase 用户活动的增加,表明散户投资者的情绪似乎并未受到影响。

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而关于比特币属于「风险资产」与「避险资产」的争论,仍在继续。一些市场参与者观察到,在过去一个月里,比特币的「避风港」叙述遭到了破坏,这对机构投资者进入该领域的意愿产生了负面影响。

而通过研究比特币和黄金,可以提供一些证据,这表明这种叙述是存在一定道理的,而且可能比以往任何时候都要更强大。

比特币随机数分布图蕴藏的信息:S9 矿工在向 S17 过渡

根据数据显示,在过去的 30 天,比特币与黄金的相关性已达到了历史高点。

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来源链接:coinmetrics.substack.com

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