比特币矿机可通过nonce分布图追踪S9和S17矿工！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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
