比特幣和挖礦的關系及挖礦原理解析

大家如果要來學習區塊鏈，比特幣系統是我們一定會面對的第一個大的知識模塊。為什么是這樣？在昨天的分享中，我們已經提到了，比特幣是區塊鏈的前身實現，區塊鏈是比特幣的后期提煉，兩者的邏輯關系決定了比特幣是個繞不開的家伙；如果大家是初次接觸比特幣，當你想和別人交流的時候，面對的第一個概念可能就是挖礦。

那么問題來了？挖礦是什么意思？挖礦和比特幣是什么關系？挖礦的原理是什么？等等。這些問題在我學習區塊鏈的過程中，困擾過我很長一段時間。下面呢，就讓我們來逐一看看。

首先讓我們從 比特幣和挖礦的關系說起；

在開始這個話題之前，我先提個問題：大家有沒有想過為什么每個區塊鏈系統都要發行自己的數字貨幣？也就是前段時間的ICO熱；這里面就涉及到區塊鏈的根本作用，這個作用就是：實現社會價值在區塊鏈上的自由流通（類比下互聯網的根本作用：實現信息的自由流通）；比如我可以針對汽車開發一個汽車鏈，針對房子開發一個房子鏈，針對母豬開發一個母豬鏈；等等；如果一個組織或個人的能量足夠大，也可以發布一個面向全行業的鏈，這個事估計只有央行能做；那汽車、房子、母豬…想在各自的鏈上自由流轉，從A的名下流轉到B的名下，或者從C的名下流轉到D的名下，一定需要個度量的尺度；這個尺度就是靠支出相應的數字貨幣來完成的；換句話說，每條鏈發布的數字貨幣，充當的是該鏈上價值流通的一般等價物；做個現實的類比：也就是我們生活中用于交易的人民幣、美元、泰銖、英鎊等中央貨幣，在我們購物時充當的作用。每條鏈可以類比成一個國家，每個國家是不是都有自己的貨幣系統？這樣一想，是不是就清楚為什么每條鏈發行數字貨幣的原因了，其目的就是促使鏈上資產的順利流通；

就數字貨幣而言，對于想做事的人，他充當的是價值流通的一般等價物；對于斂財的人，就是個圈錢的工具；

下面我們就進入正題：分析下比特幣和挖礦的關系；說起二者的關系，需要先說一下在區塊鏈中，數字貨幣的發布模式；

從籠統的角度來說：區塊鏈發布鏈上的數字貨幣有兩種主要形式：一種就是像比特幣這種的，通過挖礦節點，不斷消耗自身的算力，也就是不斷挖礦的意思，來換取比特幣；由于比特幣系統是完全開源的，在這套開源的代碼里，包含了挖礦的功能，只要一個人懂代碼，就可以把這套代碼進行編譯部署，加入到比特幣網絡里面去，把挖礦功能開啟，那你的宿主機開始挖礦了；在比特幣系統，通過自身的算法可以動態調整全網節點的挖礦難度，保證每過大約10分鐘，比特幣網絡中，就會有一個節點挖礦成功；一旦有人挖礦成功，比特幣系統就會獎勵此人一定數量的比特幣，這個數量也是通過算法控制的，這個算法可以說一下：最開始的頭四年，每個挖礦成功的人會得到25個比特幣的獎勵，每過四年衰減一半；也就是下一個四年挖礦成功獎勵12.5個，再下一個四年獎勵6.25個，以此類推；大約到2140年的時候，區塊鏈發行完畢，共計約2100萬個比特幣；

通過上面的闡述，大家應該明白挖礦和比特幣的關系了，這個關系就是：挖礦，是比特幣系統發行自身數字貨幣，也就是比特幣的必經之路。比特幣系統，借助挖礦完成自身數字貨幣的發行；發行數字貨幣的過程，就是各個礦工競爭挖礦的過程。在每一個10分鐘內，看誰先挖到礦，就獎勵一定數量的比特幣，這個獎勵的過程就是比特幣發行的過程；每個挖礦節點，受利益的驅使，也是不斷的想辦法能更快的挖礦，這也就催生了市面上的各種各樣的礦池節點；

剛才我們說了，數字貨幣的發行有兩種主要形式；比特幣的是一種；另外一種，我以國內的NEO為例；NEO的發行模式是：在系統創建的時候，一次性的在創世塊里，寫入1億個NEO；借助ICO，用戶可以直接用人民幣認購持有；這種模式有點類似于央行發行人民幣；而比特幣那種發行模式，和淘金很相似；

在剛才的分享中，我們不斷提到了挖礦，那比特幣中的挖礦到低是怎么一回事呢？

其實挖礦是比特幣系統中一個形象化的表達；它背后真正的名稱是POW算法，也就是工作量證明算法；工作量證明，是從經濟學中來的；是1993年，由兩個經濟學家提出來的一種策略，就是，防止對服務濫用或者資源濫用，而采取的一種有效阻斷的經濟策略；

這個POW在比特幣之前就已經被廣泛使用了；其中比較有名的就是Google郵箱的反垃圾郵件系統；Google是怎么用的呢？google是這樣做的：他要求每一個給google郵件服務器發電郵的對方服務器，必須先完成一定量的計算工作；這個計算可能會耗時對方服務線程2到3秒；2到3秒，如果是一個人在發郵件，是完全可以忍受的；如果對方是個發送垃圾郵件的腳本程序，他是根本無法忍受的，郵件腳本要做的是每秒成千上百封的往外發；

那在比特幣系統是怎樣用的呢？中本聰在設計實現比特幣系統的時候，希望每10分鐘完成一次比特幣發行，由于比特幣網絡中有成千上萬個節點，那該把幣發行給誰呢？按照工作量證明的策略，也就是POW算法的思路，中本聰在比特幣系統中，給每一個節點出了一個難題，大家先看下語音下方的這個截圖，這是一個區塊頭的數據結構，大家注意一下，里面有個Nonce字段；中本聰的難題呢就是：在其他字段值不變的前提下，通過不斷調節Nonce的值，來對BlockHeader這個結構體值算Hash，要求找到一個Nonce值，使得算出來的hash值小于或大于某個固定值，這個固定值，在BlockHeader結構體中，由Bits來標示；

由于hash算法是一個不可以逆的算法，沒法通過具體的hash值，倒推出原文；這樣每個節點只能采用窮舉的方法，也就是從1開始，2 3 4 5.。.不斷的往后試；在這個過程就開始考驗各個節點的CPU計算速度了，算的快的，很快就能得到Nonce值，然后他就把這個Nonce值放在結構體里，通過P2P網絡廣播出去；每個系統節點收到后，發現這個Nonce值是合法的，能滿足要求，就認為挖礦成功；對于那些算到半截的節點，發現有人已經算出來了，就放棄本次窮舉了；然后開始通過窮舉的辦法，去尋找下一個區塊頭的Nonce值；

這樣大家是不是就明白了，所謂挖礦，就是計算機通過窮舉的辦法，不斷去找Nonce值、算Hash值的過程；誰先找到，誰就挖成功了。