比特币挖矿原理

我之前写过两篇关于比特币和区块链原理的文章。它们是：

“什么是比特币”

《什么是区块链》

但是比特币是怎么来的？我们如何得到它？在上一篇《什么是区块链》的最后，我也留下了一些疑问和想法。

在本文中，我们继续从底层原理入手，揭开这些谜团（如果你还没有阅读过之前的文章，我强烈建议你先阅读它们）。

什么是比特币？

比特币是一种积分。

点的作用是什么？大家都知道：

在论坛上，您可以通过发帖和回复获得积分。积分高的用户将享有特权和荣誉。积分也可以兑换实物礼物。积分用于鼓励用户发帖回复，增加论坛活跃度。

在游戏中，经验值就是积分，通过击杀怪物可以获得经验值，经验值可以用来提升游戏角色等级和交换装备，让角色更强大，角色越强大，越有趣。

同样，在比特币网络中，挖矿可以获得比特币。比特币可用于在比特币网络内转账或购买产品和服务。

不同的是，在论坛和游戏中，论坛管理员或游戏运营商（也是管理员）可以给用户积分或扣用户积分，管理员拥有最高权限。

在比特币网络中，由于它是去中心化的，没有任何管理员，应该获得多少积分是由比特币软件定义的，而且由于比特币软件是开源的，任何人都可以阅读它的代码来了解比特币的工作原理和奖励规则。

比特币是比特币网络中用于奖励挖矿的点。

那么，什么是挖矿？

挖掘是用于寻找（生产）下一个区块的过程。

在上一篇《什么是区块链》中，我提到区块链是通过哈希算法将所有区块数据“链接”在一起的区块链。如下图：



什么是Hash算法可以看上一篇文章：《什么是区块链》

但是Hash算法有个特点，就是计算速度非常快，输入原值可以瞬间得到结果。因此，只要知道前一个区块的数据，就能瞬间计算出前一个区块的Hash结果。 , 生成下一个块。

但在这种情况下，生成下一个区块的成本非常低，并且可以通过非常低的成本来奖励积分（比特币）。那么，积分显然一文不值。

当中本聪发明比特币时，他的愿景是比特币可以用作货币。那么，比特币必须具备货币的特性：

获取比特币的成本很高，不能随便获得。

发行速度有限，很多比特币无法瞬间生成。

和黄金一样，总量是不变的，挖的越多，剩下的就越少。

您可以模拟现实生活中的转账交易（本章未讨论）。

那又怎样？因此，中本聪想出了一个解决方案（或定义了一个规范）：

1、当第一个区块产生时，奖励50比特币，然后每四年减半。

所以自 2009 年区块链网络运行以来，已经减半了两次（一次是 2012 年，一次是 2016 年），现在每个区块的奖励是 12.5 个比特币。由于每4年减半，预计2140年达到上限，比特币总量约2100万枚（总量不变）。

2、10分钟左右可以出块，出块的过程不能太快。

每小时产生6个区块，每个区块奖励12.5个比特币。目前每天能够生产 1800 个比特币（12.5 x 6 x 24 = 1800）。

第一个规则足以通过程序代码规范，但是如何实现第二个规范呢？

如果上一个区块的数据已知，可以通过Hash算法瞬间计算出第二个区块的HashH值，然后矿工的电脑收到交易通知，就可以瞬间产生下一个区块，得到1< @2.5 BTC 奖励，完全不受 10 分钟限制。

为了解决这个问题，中本聪需要以下区块数据格式：

这个块数据比上一章提到的块数据有更多的难度系数和nonce值。

难度系数：要求下一个区块计算的Hash值前面有几个0。比如难度系数是10，那么计算出来的Hash值前面肯定有10个0。

但是，在上一篇《什么是区块链》中，我们知道对于固定的数据，哈希算法计算出来的哈希值必须是固定的，也就是说原始值和哈希值在一个一对一的对应关系。

那么，怎么会有Hash结果前面有几个0这样的要求呢？

那么需要一个nonce值。

最后，区块的hash值应该是这样计算的：前一个区块的数据+这个区块的nonce值，然后进行hash计算。如果得到的哈希结果与前一个区块所需的难度系数相同，则链接成功。即生成了一个新的合法区块。

虽然上一个block的数据是固定的，但是你可以随意填写这个block的nonce值。只要填写正确，就代表你挖了一个区块。

如何填写nonce值才正确？

唯一的办法就是一个一个尝试。

例如：假设前一个区块的数据是：海哥，要求的难度系数为1，那么计算机可以这样尝试nonce值：

第一次尝试：nonce值为1，海格1的Hash值等于：c280c187c153782b542b2ae7110d71aab33d8c2d732f8aaaa06564f03b4a6b52不正确

第三次尝试：nonce值为3，海格3的Hash值等于：

2b27abb39ca314f3dcc1bee13c35df0f49bfa0b8fa55b5a02d2079387b191c90 不正确

...

第十九次尝试：nonce值为19，海格19的Hash值等于：

f17c24e8bcbdf8dd5ca658142b7ed70c0fcabb6c817aa96fb2006a7d2d5e9b5c 不正确

第二十次尝试：nonce值为20，海格20的Hash值等于：

0def78fd007911beac1a7cfa9b2b47381875e687fe7c1978b988f3e36df9d3b9 正确：难度系数为1，哈希值前面有一个0。

如果最后一个block的值是单词Haige，要得到难度系数为1的nonce值，可以计算20次。

其实：上面的Hash结果是16进制的（0~F），所以16次的理论平均值会计算出nonce值，难度为1。

所以：当难度系数为 1 时比特币挖矿产生图片，概率为 1/16（一) 共 16 个。

因此，难度系数为 2（连接两个 0）的概率为 1/16 x 1/16 = 1/256。也就是说：难度系数为2时，计算次数约为16×16。

同样：

备注：在比特币中，难度系数不是0-64的数值，而是通过公式计算出来的数值。数值越小，难度系数越大，但是文章可以让大家了解难度系数和nonce的关系。可以认为，难度系数为1表示前面有一个0，难度系数为2表示前面有两个0。

同时注意：在比特币网络中，难度值是不断变化的。它通过监控区块链的生成速度不断修改难度系数的值。难度值每 2015 个区块调整一次。

如果平均出块时间小于10分钟，说明比特币网络的算力在增加，难度值也会增加。如果平均出块时间大于 10 分钟比特币挖矿产生图片，说明算力在下降，难度值也会增加减少。因此，难度值随着全网算力的增减动态调整，从而保证大约每10分钟出块一次。

备注：中本聪原本计划每两周（14天）调整难度系数，每10分钟出块，每小时出块6块，每天出块144块，14天=2016块，但由于比特币代码中的一个bug，实际周期是2015个区块。

当难度系数为20时，如果你的电脑每秒可以计算1000万次（现在的办公笔记本，计算速度大约是每秒10000到100万次），那么你需要计算下一个nonce值块，需要7610350076（76亿）年。

所以，如果你想用办公笔记本电脑挖矿，洗漱睡觉，真正的挖矿应该是这样的。

（鄂尔多斯比特币挖矿设施，图片来自网络）

当一个节点（矿工）成功找到一个新区块后，他会立即将该区块广播到区块链网络，告诉其他节点我挖到了一个新区块，其他节点正在接收广播消息之后，新的区块将被验证，如果有效，则将新区块添加到该节点的区块链末尾。然后开始下一轮计算……

这样，比特币保证：

1、获取比特币的成本很高，不能随便获取。

2、发行速度有限，无法瞬间生成大量比特币。

3、就像金矿一样，总量不变，挖的越多，剩下的就越少。

等等这些货币特性，让比特币有了价值。

但是，还有很多问题没有解决，比如：

1、我挖了一个新区块，如何证明这个区块的奖励是我的？

2、我挖了一个新块。当我向全网广播时，如何保证我的劳动成果不被窃取？

3、我挖了一个新区块，我该怎么办？