比特幣和挖礦的關(guān)系及挖礦原理解析

大家如果要來學(xué)習(xí)區(qū)塊鏈，比特幣系統(tǒng)是我們一定會(huì)面對(duì)的第一個(gè)大的知識(shí)模塊。為什么是這樣？在昨天的分享中，我們已經(jīng)提到了，比特幣是區(qū)塊鏈的前身實(shí)現(xiàn)，區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛诺暮笃谔釤?，兩者的邏輯關(guān)系決定了比特幣是個(gè)繞不開的家伙；如果大家是初次接觸比特幣，當(dāng)你想和別人交流的時(shí)候，面對(duì)的第一個(gè)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(guān)系？挖礦的原理是什么？等等。這些問題在我學(xué)習(xí)區(qū)塊鏈的過程中，困擾過我很長(zhǎng)一段時(shí)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(guān)系說起；

在開始這個(gè)話題之前，我先提個(gè)問題：大家有沒有想過為什么每個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)都要發(fā)行自己的數(shù)字貨幣？也就是前段時(shí)間的ICO熱；這里面就涉及到區(qū)塊鏈的根本作用，這個(gè)作用就是：實(shí)現(xiàn)社會(huì)價(jià)值在區(qū)塊鏈上的自由流通（類比下互聯(lián)網(wǎng)的根本作用：實(shí)現(xiàn)信息的自由流通）；比如我可以針對(duì)汽車開發(fā)一個(gè)汽車鏈，針對(duì)房子開發(fā)一個(gè)房子鏈，針對(duì)母豬開發(fā)一個(gè)母豬鏈；等等；如果一個(gè)組織或個(gè)人的能量足夠大，也可以發(fā)布一個(gè)面向全行業(yè)的鏈，這個(gè)事估計(jì)只有央行能做；那汽車、房子、母豬…想在各自的鏈上自由流轉(zhuǎn)，從A的名下流轉(zhuǎn)到B的名下，或者從C的名下流轉(zhuǎn)到D的名下，一定需要個(gè)度量的尺度；這個(gè)尺度就是靠支出相應(yīng)的數(shù)字貨幣來完成的；換句話說，每條鏈發(fā)布的數(shù)字貨幣，充當(dāng)?shù)氖窃撴溕蟽r(jià)值流通的一般等價(jià)物；做個(gè)現(xiàn)實(shí)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(gòu)物時(shí)充當(dāng)?shù)淖饔谩Ｃ織l鏈可以類比成一個(gè)國(guó)家，每個(gè)國(guó)家是不是都有自己的貨幣系統(tǒng)？這樣一想，是不是就清楚為什么每條鏈發(fā)行數(shù)字貨幣的原因了，其目的就是促使鏈上資產(chǎn)的順利流通；

就數(shù)字貨幣而言，對(duì)于想做事的人，他充當(dāng)?shù)氖莾r(jià)值流通的一般等價(jià)物；對(duì)于斂財(cái)?shù)娜?，就是個(gè)圈錢的工具；

下面我們就進(jìn)入正題：分析下比特幣和挖礦的關(guān)系；說起二者的關(guān)系，需要先說一下在區(qū)塊鏈中，數(shù)字貨幣的發(fā)布模式；

從籠統(tǒng)的角度來說：區(qū)塊鏈發(fā)布鏈上的數(shù)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(jié)點(diǎn)，不斷消耗自身的算力，也就是不斷挖礦的意思，來?yè)Q取比特幣；由于比特幣系統(tǒng)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(gè)人懂代碼，就可以把這套代碼進(jìn)行編譯部署，加入到比特幣網(wǎng)絡(luò)里面去，把挖礦功能開啟，那你的宿主機(jī)開始挖礦了；在比特幣系統(tǒng)，通過自身的算法可以動(dòng)態(tài)調(diào)整全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的挖礦難度，保證每過大約10分鐘，比特幣網(wǎng)絡(luò)中，就會(huì)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)挖礦成功；一旦有人挖礦成功，比特幣系統(tǒng)就會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)此人一定數(shù)量的比特幣，這個(gè)數(shù)量也是通過算法控制的，這個(gè)算法可以說一下：最開始的頭四年，每個(gè)挖礦成功的人會(huì)得到25個(gè)比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)，每過四年衰減一半；也就是下一個(gè)四年挖礦成功獎(jiǎng)勵(lì)12.5個(gè)，再下一個(gè)四年獎(jiǎng)勵(lì)6.25個(gè)，以此類推；大約到2140年的時(shí)候，區(qū)塊鏈發(fā)行完畢，共計(jì)約2100萬個(gè)比特幣；

通過上面的闡述，大家應(yīng)該明白挖礦和比特幣的關(guān)系了，這個(gè)關(guān)系就是：挖礦，是比特幣系統(tǒng)發(fā)行自身數(shù)字貨幣，也就是比特幣的必經(jīng)之路。比特幣系統(tǒng)，借助挖礦完成自身數(shù)字貨幣的發(fā)行；發(fā)行數(shù)字貨幣的過程，就是各個(gè)礦工競(jìng)爭(zhēng)挖礦的過程。在每一個(gè)10分鐘內(nèi)，看誰先挖到礦，就獎(jiǎng)勵(lì)一定數(shù)量的比特幣，這個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)的過程就是比特幣發(fā)行的過程；每個(gè)挖礦節(jié)點(diǎn)，受利益的驅(qū)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(jié)點(diǎn)；

剛才我們說了，數(shù)字貨幣的發(fā)行有兩種主要形式；比特幣的是一種；另外一種，我以國(guó)內(nèi)的NEO為例；NEO的發(fā)行模式是：在系統(tǒng)創(chuàng)建的時(shí)候，一次性的在創(chuàng)世塊里，寫入1億個(gè)NEO；借助ICO，用戶可以直接用人民幣認(rèn)購(gòu)持有；這種模式有點(diǎn)類似于央行發(fā)行人民幣；而比特幣那種發(fā)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(shí)挖礦是比特幣系統(tǒng)中一個(gè)形象化的表達(dá)；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(jīng)濟(jì)學(xué)中來的；是1993年，由兩個(gè)經(jīng)濟(jì)學(xué)家提出來的一種策略，就是，防止對(duì)服務(wù)濫用或者資源濫用，而采取的一種有效阻斷的經(jīng)濟(jì)策略；

這個(gè)POW在比特幣之前就已經(jīng)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(tǒng)；Google是怎么用的呢？google是這樣做的：他要求每一個(gè)給google郵件服務(wù)器發(fā)電郵的對(duì)方服務(wù)器，必須先完成一定量的計(jì)算工作；這個(gè)計(jì)算可能會(huì)耗時(shí)對(duì)方服務(wù)線程2到3秒；2到3秒，如果是一個(gè)人在發(fā)郵件，是完全可以忍受的；如果對(duì)方是個(gè)發(fā)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(fā)；

那在比特幣系統(tǒng)是怎樣用的呢？中本聰在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)比特幣系統(tǒng)的時(shí)候，希望每10分鐘完成一次比特幣發(fā)行，由于比特幣網(wǎng)絡(luò)中有成千上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，那該把幣發(fā)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(tǒng)中，給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)出了一個(gè)難題，大家先看下語音下方的這個(gè)截圖，這是一個(gè)區(qū)塊頭的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，大家注意一下，里面有個(gè)Nonce字段；中本聰?shù)碾y題呢就是：在其他字段值不變的前提下，通過不斷調(diào)節(jié)Nonce的值，來對(duì)BlockHeader這個(gè)結(jié)構(gòu)體值算Hash，要求找到一個(gè)Nonce值，使得算出來的hash值小于或大于某個(gè)固定值，這個(gè)固定值，在BlockHeader結(jié)構(gòu)體中，由Bits來標(biāo)示；

由于hash算法是一個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)過程就開始考驗(yàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的CPU計(jì)算速度了，算的快的，很快就能得到Nonce值，然后他就把這個(gè)Nonce值放在結(jié)構(gòu)體里，通過P2P網(wǎng)絡(luò)廣播出去；每個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)收到后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)Nonce值是合法的，能滿足要求，就認(rèn)為挖礦成功；對(duì)于那些算到半截的節(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)有人已經(jīng)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(gè)區(qū)塊頭的Nonce值；

這樣大家是不是就明白了，所謂挖礦，就是計(jì)算機(jī)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。