比特币挖矿究竟在计算一个什么问题？手动验证区块链给出答案

简单回顾下挖矿的流程。

首先先要对所有的交易做验证，剔除有问题的，然后通过一套自定义的标准来选择哪些交易希望打包进区块，比如说提供的交易费与交易占用的字节大小的比值超过某个门槛，这样的交易才被认为有利可图。当然，节点也可以特意选择要加入某条交易，或者故意忽略某些交易。如果是通过矿池挖矿的话，矿池的服务器会去筛选交易，然后分配给每个参与的矿机一个独立的任务。

一旦筛选好交易数据，层层约减，通过这些交易就可以计算出一棵Merkle树，可以确定一个唯一的摘要，这就是Merkl树的根。

然后我们再依次获取挖矿需要的其他信息，这些信息组成一个区块的头。

区块头的字节分配

version 版本号，4个字节

previous_block_hash前一区块的摘要，32个字节

merkle_root 默克尔树的根，32个字节

time 区块生成时间，4个字节

bits 难度目标，是一个数字，4个字节

nonce 随机数，4个字节

区块头只有80个字节，挖矿只需要对区块头进行运算即可。交易数据都通过merkle树固定了下来，不需要再包含进来。

这些信息中大部分已经是固定下来的，或者是可计算的。

版本号是跟随比特币客户端而定的，一段时间内不会改变。即使要改变，也会有比特币的核心开发人员来协调升级策略，这个可以理解为一个静态常数。

前一区块的摘要，可以通过数学方法快速计算，因为前一区块早已打包好了。

默克尔树的根，刚才已经得到了结果。

时间，可以取打包时的时间，也不需要很精确，前后几秒，几十秒也都可以。

难度目标，是参考上两周产生的区块的平均生成时间而定的，两周内如果平均10分钟产生一个区块的话，两周会产生2016个区块，软件会计算最新的2016个区块生成的时间，然后做对比，随之调整难度，使得接下来产生的区块的预期时间保持在10分钟左右。因为最近的2016个区块已经确定，所以这个数字也是确定的。

最后一个随机数，就是挖矿的目标了。这个数字可以变化，而且要从0试到最大值。直到最后出现的hash结果，其数字必须低于难度目标值。不过以现在的计算机算力，这个数字用不了一秒就把全部的变化可能计算完了，所以还需要改变区块内部的创币交易中的附带消息，这样就让merkle root也发生了变化，从而有更多的可能去找到符合要求的nonce。

我们以区块277316为例，其信息来自网站http://blockchain.info

Bitcoin Block #277316blockchain.info

选择这个区块的原因是在《Mastering Bitcoin》一书中，中文社区译本和英文原版在介绍这部分内容时有出入，而且作者Antonopoulos并没有提到一个关键点，就是字节顺序的问题，相信很多人可能会踩这个坑。这里还原的细节可以帮助读者与书籍做相互参考。

比特币区块277316的信息

比特币区块277316的hash值

请大家注意下面的每个步骤，注意每一个变化，这是比特币最核心的算法。

第一步，准备数据，转换时间

2 （版本号的十进制）

c91c008c26e50763e9f548bb8b2fc323735f73577effbc55502c51eb4cc7cf2e (merkle root的16进制)

2013-12-27 23:11:54 （utc时间）

转换时间，记住，一定要转为utc的时间戳，此处遇到过坑，小心。

>>> import datetime

>>> from datetime import timezone

第二步，全部转换为16进制

c91c008c26e50763e9f548bb8b2fc323735f73577effbc55502c51eb4cc7cf2e

52be093a

1903a30c

371c2688

第三步，从big-endian转化为little-endian

这一步的发现异常艰辛，耗费了大量的查询，大坑，大坑，谨记。发明人中本聪可能为了让机器计算更快，而变为了更接近机器的编码方式little-endian.

2ecfc74ceb512c5055bcff7e57735f7323c32f8bbb48f5e96307e5268c001cc9

3a09be52

0ca30319

88261c37

第四步，拼接字符串，开始验证

import binascii

from hashlib import sha256 as s

k = '0200000069054f28012b4474caa9e821102655cc74037c415ad2bba702000000000000002ecfc74ceb512c5055bcff7e57735f7323c32f8bbb48f5e96307e5268c001cc93a09be520ca3031988261c37'

hk = binascii.unhexlify(k)

res = binascii.hexlify(s(s(hk).digest()).digest()[::-1])

最终得到的结果就是

16进制下前面15个0，然后是1； 而难度目标对应的数字是

16进制下前面15个0，然后是3. 计算结果小于难度目标，符合要求。这个结果与网站上公布的数字一致。

在挖矿时，nonce随机数是未知的，要从0试到2^32，但是这个数字其实不大，只有4294967296，以现在的矿机动辄14T每秒的算力，全部算完到上限也不需要一秒。刚才提到在这种情况下，需要使用创币交易中的附带信息，额外的字符串成为extra nonce。

另外，创世区块也可以通过上面的方法来验证，有好奇的朋友可以尝试下。

对于创始区块，版本号是1；

前一区块的hash摘要，猜想会是什么呢？

难度目标是1，这是定义为一个sha256结果的前32位是0，也就是对应的16进制字符串要有8个0，那么难度bits此时是0x1d00ffff。

然后再用上面的问题的解法去求解随机数就可以了。

文章备注：本文最早由作者发布在简书和知乎上。文本经作者授权发布。