什么是“挖矿”？比特币“挖矿”原理解析

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1.什么是“挖矿”？

我们在系列文章中的《 比特币的“区块”中藏有什么秘密：区块链区块结构解析》介绍了什么是“区块链”以及“区块”的底层数据结构解析；

本文主要围绕着网络常用切口“挖矿”来介绍 下“挖矿”的本质和底层原理；

接前言，强调下“区块链”的三个核心特定：

1）凡是被各节点认证过的历史生成区块，是绝不会被篡改的；因为区块链的只有append（追加）操作，没有随机update（随机写）的操作。

2）新生成的区块，只能链接“挂载”在当前链条的末端‘；

这也就意味着：每个节点在开始运行（或者是运行中）创建新区快这项工作的时候，凡是有新区块被确认增加到了区块链上，那么，当前节点就需要停止手头正在进行的“创建”新区块的工作，转而需要先将最新的区块链数据同步到本地，再继续重新开始试图“创建”新区块。

3）新区块的创建，是一个极其困难复杂的工作；是一个需要符合特定计算规则，计算结果需要满足特别目标值（这个值很难满足）时，新区快才算初步创建成功；

“挖矿”的几个特点

如果非要一句话简单概括的话：在最新区块链的数据上，生成一个符合条件的区块，链入区块链的过程，就是挖矿。

“挖矿”具有以下几个特点：

1）“挖矿”的过程 就是运行特定的计算公式，试图计算出符合特定规则的Hash值的一个过程；

2）“挖矿”的本质是：生成最新区块，挂在到区块链的末端；其本质也可以理解为：争夺账本的记账权。

3）“挖矿”为什么叫做“挖矿”，因为“生成新区快”这个操作成功，会获得大量的奖励；

4）有“挖矿”，自然有“矿工”，矿工指的是：所有运行（以比特币为例）比特币客户端，链接比特币网络的终端节点，比如CPU,GPU,矿机，矿池组等等

5）为什么大家对“挖矿”趋之若鹜？

因为能获得超出成本的大量的奖励；奖励包含两部分：

第一部分是：创建新区块成功，系统奖赏当前矿工的“奖励金”（又叫coinBase交易金），这部分占主要比例；

第二部分是：所生成的新区块里打包的所有交易的交易佣金（交易费用），这部分占一小部分；

6）接第五点，比特币系统为何要奖励矿工“coinBase交易金”?

对维持“系统”网络稳定，对确认比特币交易，对参与比特币认证的节点的奖励；因为挖矿同时还保护着比特币系统的安全，防止欺诈交易，避免“双重支付”；这一点很重要！

PS：

中本聪在设计中规定：

1）新区块的产生速度是大约每10分钟一个（这里面用的大约，不是精确的十分钟），每一个新区块的产生都会伴随着一定数量的新币发行。每开采210,000个新区块（中本聪规定的&大约耗时4年），新币发行速率降低50%，初始奖励每区块50BTC，每隔4年奖励减半，目前奖励为12.5BTC。

2）十分钟是一个均值，生产速率每产生2016个新区块系统会自动调节一次，调节途径通过调整diffculty参数；

---转译自《BitCoin Wiki # Mining》

2.比特币“挖矿”的平均时间为何规定成“10分钟”？

接上，为什么要规定每十分钟挖出一个矿呢？有什么具体的考量吗？

首先说明：10 分钟是系统找到一个有效的交易链块所需要的平均时间（这个时间不是固定的）；

基于运气这个时间实际上会稍长或稍短，比如突然间网络中，算力急速增加，那么生成新区块的时间就会变短；这个平均时长"力图逼近10分钟"，出块速度会在系统每生成2016个块之后自动调整的，通过调整难度系数difficulty（前序文章中有讲过）

大致参考源代码：

static const int64 nTargetTimespan = 14 * 24 * 60 * 60;//目标时间窗口长度：两周

static const int64 nTargetSpacing = 10 * 60;// block频率，每10分钟一块

static const int64 nInterval = nTargetTimespan / nTargetSpacing;// 每两周的产量2016，也是调节周期

10分钟--->1分钟会如何？

1）间隔太短，易导致较多孤块的出现，不安全，不利于交易确认，还浪费资源；

原因是：每一个“矿工”都需要时刻确认自己是否在主链上，那么就需要矿工之间时刻交流，交流受网速影响（在网络情况不良时，间隔时间越短，这个网络不良的影响对最终的结果影响越大），当有“矿工”生成新的区块，发现它们不在主链上，也就是孤块，只能丢弃，造成浪费。

2）如果出块间隔太短，侧面的也就说明，出块的难度太低；

当出块的频率变高的时候，块与块之间的碰撞频率也就变高，碰撞次数越高，主链被fork（分叉）的概率就越大，fork越多，链结构就会变成树结构。而且每当出现分叉的时候，系统需要花费性能去选出bestChain（bestChain被当做Main链，被各节点认可）；

PS：fork即为分叉，分叉分为软分叉和硬分叉，关于分叉和bestChain的选择相关知识点会在本系列的其他文章中讲述。

3.“挖矿”的底层原理是什么？

通俗地讲，“挖矿”即生成新区块的本质是：做一系列的哈希运算，当运算得到的哈希值符合目标规则，即为挖矿成功（其实，就是寻找符合条件的Nonce参数的过程，下文会详细解释，此处记住这个概念即可）。

也就是比较俩数值的大小，target目标值（固定）与哈希计算值（矿工每次计算算出来的值），这两个值的计算公式是什么呢？

如下图，为区块头（header）结构，结合着图示，介绍下挖矿的原理。

这里直介绍两个关键信息：

1）难度系数：difficulty参数，顾名思义用来调节生成区块的难度的。该值决定了target的大小，

公式为：target=2**（256-Difficulty）

中本聪希望生成每个区块需要耗时10分钟，但是实际情况往往多变，生成区块（算出target）的时间有可能远小于十分钟（difficulty偏下）或者远大于十分钟（difficulty偏大）；

那么在每2016【2016=14（day）*24（hour）*60（min）/10(min）】个区块生成完毕之后，系统要自动调节difficulty参数大小；

调整公式为：

New Difficulty= Old Difficulty*（最新的2016区块实际耗时/ 20160 minutes）.即：最新2016个区块花费时长与20160分钟（20160分钟是2016个区块期望的产出时间）比较所得。

2）随机数：Nonce参数，也可以理解为POW工作量证明的计数器；

该字段是最重要的一个字段，因为其实“挖矿”的过程就是寻找符合条件的Nonce值的过程；我们知道“挖矿”是做一些列的哈希计算的过程，该过程为：对区块头和nonce进行哈希运算【sha256(str(header)+str(nonce))】；如果本次所得的哈希值

PS：

1）Nonce叫“随机数”的原因是因为原则上每次计算当前Nonce值可以随机产生。但是，实际情况下：什么方式最容易计算出目标值呢？穷举法；所以每次计算Nonce从0开始；

2）为什么说“挖矿”这么难呢？

target值符合特定的规则：十六进制的以连续0开头，且连续的0越多越能符合命中规则；

假如当前target值为连续20个0开头的十六进制数字；

举个例子：

好比一个不透明的口袋里有俩形状一模一样的乒乓球，一个红色球，一个蓝色球；每次抓阄抓到蓝色则标记位0，红色标记位1，那么如果矿工想要“挖矿”成功，就意味着：至少连续20次抓阄均抓到篮球。是不是瞬间觉得很难呢？

3）接上例子，如果连续2016个区块的生成时间小于期望的20160分钟，系统会自动调节Difficulty系数，比如调节Difficulty系数之后，target变成了连续21个0开头的十六进制数字，此时，矿工想要挖矿成功，则需要连续21次抓到篮球，生成新区块的时间就会相对变长。是不是更难了呢？

如果连续2016个区块的生成时间大于期望的20160分钟，则反向调低难度系数。

以上既是：比特币“挖矿”的原理解析，仅为个人观点，欢迎讨论指正~

本期【简亿区块链】时间到此结束，敬请期待下期~

下期预告：

主题：《“比特币”交易打包过程与“区块链”的软硬“分叉”》

预计发布时间：2018年3月23日（周五） 8点见

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