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ASIC终结者:X16R算法的异军突起

小饱1
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算法发展史' [4 l* P9 W7 P* }" ]; ?/ M
共识算法可能是区块链挖矿行业最为重要的核心,其中又以PoW为主。Proof of Work简称为PoW(工作量证明),用于证明你在某时间内完成的工作量。, T; q1 G0 b$ `2 T6 B: U
这一概念最早被Cynthia Dwork和Moni Naor于1992年写在如何处理打击垃圾邮件的论文上。
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2008年之后,Peer-to-Peer技术、PoW和加密算法被应用于Bitcoin。
, m' T" h* P0 q7 R  y# NBitcoin采用的SHA-256算法属于SHA-2(Secure Hash Algorithm 2,安全散列算法2),由美国国家安全局研发。
2 l# z. ~. ]0 m9 p, KSHA-2安全吗?就目前来看是安全的,并且短期内哈希计算速度没有发生大幅度提升的趋势。
9 `9 v& H! l( ^* `1 kSHA-2的前身是SHA-1,目前想要破解一次SHA-1的成本大约在70万美元(可能更低)。破解需要进行的计算总量约为900万兆(9,223,372,036,854,775,808),5Ghz的CPU每秒计算速度约为20亿次。相当于使用CPU得花费150年才能破解SHA-1,足以说明破解难度之高。. l) A% K/ Z/ G; j# \" N4 v. L4 ~
SHA-2虽难以破解,但是其本身计算方式单一,只要加快哈希值计算便可以提高BTC开采的速度。ASIC矿机就是为了高效计算哈希值而生。* `. ~8 l( A; X
ASIC矿机的出现使社区产生了分歧,分歧点在于是否符合PoW这一理念以及对于每一个用户是否平等。
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目前多个主流加密数字货币分别采用不同的算法或者共识去反抗ASIC矿机的出现。主要分为两种方式,一是共识机制的改革,二是通过更改算法规则。
2 F( V  E+ R, r3 F- W现行的共识机制下,公链上主要以PoW和PoS(Proof-of-Stake,股权证明)两种存在。; ^6 t$ L7 _, k; d/ ?! L8 H
二者皆有利弊,使用PoW便意味着消耗大量的能源去进行计算,并且理论上存在着算力攻击的风险,相对来说安全性较高;PoS缺少工作过程证明,也存在利益分配和贿选问题。而Ethereum试图采用PoW+PoS混合制的形式,就是为了改善现有共识来抵御ASIC的影响。其目前的状况是使用PoW共识,试图转至PoS,但没有推出一个完美的过渡机制(依旧使用PoW)。  M, y$ v5 d! {* J$ `2 U. p, c
Ethereum使用了Ethash算法,前身为Dagger算法(Vitailk发明),其目的是为了抵制ASIC矿机。如何抵制ASIC矿机呢?通过将挖矿和内存带宽相捆绑,即降低其他硬件的运算优势,从而达到挖矿设备平等这一理念。8 g1 O% \9 z- g; w# m5 Q/ }; n
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Ethereum算力变化图6 ~3 H- O+ O$ [" V' G1 m
Ethash算法没有阻挡ASIC矿机的出现,只是拖延了出现的时间。
/ m! q! g9 A. |9 v绑定内存带宽意味着可以通过提高内存带宽速度来提高算力,或者在相同内存带宽速度下降低功耗,只不过目前内存带宽价格过高以及ETH价格过低,从成本上考虑,ASIC矿机相较GPU来得不够划算。% r2 ?) J' D% j+ y% d( f) D
Litecoin使用的是密码学家兼程序员Colin Percival于2009年发表的论文Stronger Key Derivation via Sequential Memory-hard Functions上所发明的scrypt算法。原理和Ethash较为相似,都是提高挖矿时内存的使用成本,延缓ASIC矿机的出现。
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) r/ b* y' M8 \6 }3 |2014年,Zeusminer研发出了专门针对scrypt算法的ASIC矿机。这也说明通过绑定某一硬件(如内存)从而抬高挖取的使用成本是没有办法完全杜绝ASIC矿机。
# {: l2 b/ A8 v0 [" y除了以上的算法外,还有Dash使用的X11算法,Zcash使用的Equihash算法,Bytecoin使用的CryptoNote算法等等。
+ K3 k1 d' @7 D% Q算法的进化和变革的一个主要原因是抵制ASIC矿机的出现。8 D  ^' Y$ b7 d8 L: D- M
ASIC矿机对整个生态存在的缺点如下:7 w7 u) Z) b2 o1 }2 f" n: H
1、容易变成寡头之间的算力游戏,有发生算力攻击的风险。
+ j. A/ A4 G" ~* I2、挖矿设备不平等,算力过于集中。(也有观点认为设备不平等是客观存在的,ASIC矿机的研发和使用都投入了人力物力,不应该过分抵制。)& n3 p9 d# E- x" R; S+ v6 J
3、消耗大量的资源,用途较为单一。
: q) T. R3 Y3 {- P% m如果以Bitcoin为例,ASIC矿机并非全是缺点,反而支撑起了BTC的价格。
6 z2 H! c- e% |! ~* T中本聪曾在回复用户的邮件中写道,“it would be left more and more to specialists with server farms of specialized hardware”。如ASIC一类的专门用于挖矿的硬件(specialized hardware)会在未来出现早已被中本聪考虑到了。
3 a0 v. G  t  O4 W% X0 Q$ u那么,那些为了抵制ASIC矿机的而设计发明出来的算法存在的意义呢?给予普通用户将过剩资源利用起来的入场券。2 E; O/ X6 z* }/ x9 D5 P6 Q
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目前为止, 适合个人参与挖掘的算法2 D$ _' F( m3 ~# I7 H. ^6 n
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最近,Binance上一个新上的通证引起了大家的注意,尤其是采用的X16R算法。2 i) N5 H1 T, r% X2 ?
X16R算法是继X11、X13、X15、X17之后的一种变形算法。; ~$ Y# x/ M, w) ]& v% I
X11算法指的是将11种固定的哈希算法串联使用,从而增大ASIC矿机的研发成本。X13算法则是将13种固定的哈希算法串联。然而单纯增加算法的数量和种类也只是延长ASIC矿机出现的速度。
9 ^! A  V; P, C6 z+ ]; [* AX16R算法则是不断打乱哈希算法的串联顺序,使得计算难度得到几何级的提升。
; n, T# o, g2 I# oX16R算法选择了X15算法中经过验证的15种,外加SHA-512算法(属于SHA-2,和SHA-256结构相同)。但是16种算法不是采用固定排列,而是基于前一个区块的哈希值进行动态变化。
. `5 F& w' u4 z4 N. a; y2 k改变顺序和固定顺序之间的区别有多大?1 Q3 r" b+ v! ^
使用ASIC矿机进行固定顺序的哈希算法可以使芯片利用率达到100%。ASIC矿机在乱序的哈希算法上,平均芯片利用率只有64.38%。9 W# S; e4 d% B: U
如X11算法,矿机研发企业只需要将11种哈希算法逐一研发对应的ASIC矿机,并进行固定顺序组合。如同车间一般,每一种哈希算法都由相应的ASIC矿机进行计算,往复循环。每个芯片都不会闲置,利用率可以达到满负荷。
! r9 {, I. z. W1 s/ kX16R增加了两个不确定性:
7 O) t. M2 V1 k- \7 U1、算法顺序的不确定性。
) B$ a& N$ p' R. U2、算法出现频率的不确定性。
+ \% Z. D0 @; e5 p每个区块会进行16次运算,这16次运算会出现什么哈希算法是无法确定。
/ L3 v+ r0 ~- F: S: T假设16次运算都是同一种算法,那么这样的概率是16/(16的16次方)=8.673617379884e-19
& c, Q7 q; m( C3 P9 I' z' g假设16次运算出现了两种不同的算法,那么这样的概率为[16*15/2(从16种算法选两种)*2的16次方]/(16的16次方)=4.2632564145606e-13
$ W' S1 g: |, l, t
( h/ Y7 _* Q( s6 ~假设16次运算出现了16种算法,那么出现这种情况的概率为16!/(16的16次方)=1.1342267125514e-6
6 n* ?" a! W! e3 {6 s" c- b9 J- Y通过加权平均计算,每个区块会涉及到10.3种函数。假设实现每种哈希计算的芯片面积相同,那么芯片利用率为10.3/16=64.38%。这也意味着即使使用ASIC矿机进行X16R计算将会造成至少35.62%的芯片浪费。
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X16R还有一特点,由于每种哈希计算所需要的时间是不相同会导致出块时间不相同。在长时间上来看,出块时间会由于各个哈希函数的搭配而被平均。
0 P+ V- x$ q  @& ~X16R具有如此多之前所不具备的特征,那么到底能不能防止ASIC矿机的产生呢?就现在来说,可以。
6 C( N6 t; t8 a2 U7 n7 K' f什么情况下会产生专门针对X16R的ASIC矿机?) N6 k. ]- J/ h7 q8 s
1、通证的价格足够高,有足够的利润吸引厂商去进行研发。
+ `% ]' h+ n, T! x2、新技术的产生,算力功耗比得到大幅度的提升,拉开和GPU的算力优势。4 E2 J  @. ]& q
不过,X16R目前能防止ASIC矿机却防不了FPGA矿机。当一个区块产生时,其哈希值的最后8个字节就确定了下一个区块所使用的哈希函数算法。FPGA矿机可以快速重新编程,为每一个哈希算法排好顺序,充分利用芯片资源,从而进行运算,但是其算力较为低下,和GPU相比优势不明显。
% ]$ }1 Y) b5 d' }6 Q6 U只要还有利可图、有人在乎设备平等,算法和ASIC矿机之间的较量就还会持续下去。
9 V4 l3 \  h) b5 a5 {5 ZX16R绝对不会是最后一个阻挡ASIC矿机的算法。
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