挖礦原理介紹-如何免費獲得位元幣、ETH 丨區塊鏈知識

**挖礦就是通過下載軟體，運行特定演算法搭建挖礦機，與遠方服務器通訊后可得到相應位元幣或 ETH， 是低成本獲取虛擬貨幣的重要途徑 **

一、挖礦本質是什么？
挖礦其實就是執行Hash函式的程序，而Hash函式是一個單輸入單輸出函式，輸入資料就是這個區塊頭，

位元幣區塊頭共6個欄位：

int32_t nVersion; //版本號，4位元組
uint256 hashPrevBlock;
//前一個區塊的區塊頭hash值，32位元組
uint256 hashMerkleRoot; //包含進本區塊所有交易構造的Merkle樹根，32位元組
uint32_t nTime; //Unix時間戳，4位元組
uint32_tnBits; //記錄本區塊難度，4位元組
uint32_t nNonce; //亂數，4位元組

所以許多人說“挖礦”很難，因為 Hash 的計算是不可逆的，
舉例來說，由字串算出對應的md5值很容易，但由md5值反推出字串，是不可能的，
所以我們可以認為Hash的結果是完全隨機的，要得出前48bit必須是0x00000000FFFF的哈希結果，就如同連續拋48次硬幣，每次都得到我們想要的結果，其概率為(1/2)^48最開始用 CPU 挖礦，過渡到 GPU 挖礦，演化到當前的 ASIC(專業礦機)挖礦、云挖礦……還有人相信量子計算的突破會讓區塊鏈體系土崩瓦解，人類企圖以升級設備和計算的速度來突破Hash的計算壁壘，但是隨著礦工的數量越來越多，挖礦的難度也在水漲船高，
二、挖礦的通俗解釋
在位元幣的P2P網路中，有一類節點，它們時刻不停地進行計算，試圖把新的交易打包成新的區塊并附加到區塊鏈上，這類節點就是礦工，因為每打包一個新的區塊，打包該區塊的礦工就可以獲得一筆位元幣作為獎勵，所以，打包新區塊就被稱為挖礦，

位元幣的挖礦原理就是一種作業量證明機制，作業量證明POW是英文Proof of Work的縮寫，

在討論POW之前，我們先思考一個問題：在一個新區塊中，憑什么是小明得到50個幣的獎勵，而不是小紅或者小軍？

當小明成功地打包了一個區塊后，除了用戶的交易，小明會在第一筆交易記錄里寫上一筆“挖礦”獎勵的交易，從而給自己的地址添加50個位元幣，為什么位元幣的P2P網路會承認小明打包的區塊，并且認可小明得到的區塊獎勵呢？

因為位元幣的挖礦使用了作業量證明機制，小明的區塊被認可，是因為他在打包區塊的時候，做了一定的作業，而P2P網路的其他節點可以驗證小明的作業量，

什么是作業量證明？作業量證明是指，證明自己做了一定的作業量，例如，在駕校學習了50個小時，而其他人可以簡單地驗證該作業量，例如，出示駕照，表示自己確實在駕校學習了一段時間：

位元幣的作業量證明需要歸結為計算機計算，也就是數學問題，如何構造一個數學問題來實作作業量證明？我們來看一個簡單的例子，

假設某個學校的一個班里，只有一個女生叫小紅，其他都是男生，每個男生都想約小紅看電影，但是，能實作愿望的只能有一個男生，

到底選哪個男生呢？本著公平原則，小紅需要考察每個男生的誠意，考察的方法是，出一道數學題，比如說解方程，誰第一個解出這個方程，誰就有資格陪小紅看電影：

作業量證明的題目

因為解高次方程沒有固定的公式，需要進行大量的計算，才能算出正確的結果，這個計算程序就需要一定的作業量，假設小明率先計算出了結果x＝2.5，小紅可以簡單地驗證這個結果是否正確：

驗證作業量證明

可以看出，解方程很困難，但是，驗證結果卻比較簡單，所以，一個有效的作業量證明在于：計算程序非常復雜，需要消耗一定的時間，但是，驗證程序相對簡單，幾乎可以瞬間完成，

現在出現了另一個問題：如果其他人偷看了小明的答案并且搶答了怎么辦？

要解決這個問題也很容易，小紅可以按照男生的編號，給不同的男生發送不同的方程，方程的第一項的系數就是編號，這樣，每個人要解的方程都是不一樣的，小明解出的x＝2.5對于小軍來說是無效的，因為小軍的編號是3，用小明的結果驗證小軍的方程是無法通過驗證的，

無法竊取別人的作業量證明

事實上如果某個方程被驗證通過了，小紅可以直接從方程的第一項系數得知是誰解出的方程，所以，竊取別人的作業量證明的結果是沒有用的，

通過作業量證明，可以有效地驗證每個人確實都必須花費一定時間做了計算，

在位元幣網路中，礦工的挖礦也是一種作業量證明，但是，不能用解多項式方程來實作，因為解多項式方程對人來說很難計算，對計算機來說非常容易，可以在1秒鐘以內完成，

要讓計算機實作作業量證明，必須找到一種作業量演算法，讓計算機無法在短時間內算出來，這種演算法就是哈希演算法，

通過改變區塊頭部的一個nonce欄位的值，計算機可以計算出不同的區塊哈希值：

計算區塊哈希

直到計算出某個特定的哈希值的時候，計算結束，這個哈希和其他的哈希相比，它的特點是前面有好幾個0：

hash256(block data, nonce=0) =291656f37cdcf493c4bb7b926e46fee5c14f9b76aff28f9d00f5cca0e54f376f
hash256(block data, nonce=1) =f7b2c15c4de7f482edee9e8db7287a6c5def1c99354108ef33947f34d891ea8d
hash256(block data, nonce=2) =b6eebc5faa4c44d9f5232631f39ddf4211443d819208da110229b644d2a99e12
hash256(block data, nonce=3) =00aeaaf01166a93a2217fe01021395b066dd3a81daffcd16626c308c644c5246
hash256(block data, nonce=4) =26d33671119c9180594a91a2f1f0eb08bdd0b595e3724050acb68703dc99f9b5
hash256(block data, nonce=5) =4e8a3dcab619a7ce5c68e8f4abdc49f98de1a71e58f0ce9a0d95e024cce7c81a
hash256(block data, nonce=6) =185f634d50b17eba93b260a911ba6dbe9427b72f74f8248774930c0d8588c193
hash256(block data, nonce=7) =09b19f3d32e3e5771bddc5f0e1ee3c1bac1ba4a85e7b2cc30833a120e41272ed …
hash256(block data, nonce=124709132) =00000000fba7277ef31c8ecd1f3fef071cf993485fe5eab08e4f7647f47be95c

位元幣挖礦的作業量證明原理就是，不斷嘗試計算區塊的哈希，直到計算出一個特定的哈希值，它比難度值要小，

位元幣使用的SHA-256演算法可以看作對隨機輸入產生隨機輸出，例如，我們對字串Hello再加上一個數字計算兩次SHA-256，根據數字的不同，得到的哈希是完全無規律的256位亂數：

hash256(“Hello?”) = ???
大約計算16次，我們可以在得到的哈希中找到首位是0的哈希值，因為首位是0出現的概率是1/16：

hash256(“Hello1”) =ffb7a43d629d363026b3309586233ab7ffc1054c4f56f43a92f0054870e7ddc9
hash256(“Hello2”) =e085bf19353eb3bd1021661a17cee97181b0b369d8e16c10ffb7b01287a77173
hash256(“Hello3”) =c5061965d37b8ed989529bf42eaf8a90c28fa00c3853c7eec586aa8b3922d404
hash256(“Hello4”) =42c3104987afc18677179a4a1a984dbfc77e183b414bc6efb00c43b41b213537
hash256(“Hello5”) =652dcd7b75d499bcdc61d0c4eda96012e3830557de01426da5b01e214b95cd7a
hash256(“Hello6”) =4cc0fbe28abb820085f390d66880ece06297d74d13a6ddbbab3b664582a7a582
hash256(“Hello7”) =c3eef05b531b56e79ca38e5f46e6c04f21b0078212a1d8c3500aa38366d9786d
hash256(“Hello8”) =cf17d3f38036206cfce464cdcb44d9ccea3f005b7059cff1322c0dd8bf398830
hash256(“Hello9”) =
1f22981824c821d4e83246e71f207d0e49ad57755889874d43def42af693a077
hash256(“Hello10”) =8a1e475d67cfbcea4bcf72d1eee65f15680515f65294c68b203725a9113fa6bf
hash256(“Hello11”) =
769987b3833f082e31476db0f645f60635fa774d2b92bf0bab00e0a539a2dede
hash256(“Hello12”) =c2acd1bb160b1d1e66d769a403e596b174ffab9a39aa7c44d1e670feaa67ab2d
hash256(“Hello13”) =dab8b9746f1c0bcf5750e0d878fc17940db446638a477070cf8dca8c3643618a
hash256(“Hello14”) =51a575773fccbb5278929c08e788c1ce87e5f44ab356b8760776fd816357f6ff
hash256(“Hello15”) =0442e1c38b810f5d3c022fc2820b1d7999149460b83dc680abdebc9c7bd65cae

如果我們要找出前兩位是0的哈希值，理論上需要計算256次，因為00出現的概率是162=256，實際計算44次：

hash256(“Hello44”) = 00e477f95283a544ffac7a8efc7decb887f5c073e0f3b43b3797b5dafabb49b5
如果我們要找出前3位是0的哈希值，理論上需要計算163=4096次，實際計算6591次：

hash256(“Hello6591”) = 0008a883dacb7094d6da1a6cefc6e7cbc13635d024ac15152c4eadba7af8d11c
如果我們要找出前4位是0的哈希值，理論上需要計算164=6萬5千多次，實際計算6萬7千多次：

hash256(“Hello67859”) = 00002e4af0b80d706ae749d22247d91d9b1c2e91547d888e5e7a91bcc0982b87
如果我們要找出前5位是0的哈希值，理論上需要計算165=104萬次，實際計算158萬次：

hash256(“Hello1580969”) = 00000ca640d95329f965bde016b866e75a3e29e1971cf55ffd1344cdb457930e
如果我們要找出前6位是0的哈希值，理論上需要計算166=1677萬次，實際計算1558萬次：

hash256(“Hello15583041”) = 0000009becc5cf8c9e6ba81b1968575a1d15a93112d3bd67f4546f6172ef7e76

對于給定難度的SHA-256：假設我們用難度1表示必須算出首位1個0，難度2表示必須算出首位兩個0，難度N表示必須算出首位N個0，那么，每增加一個難度，計算量將增加16倍，

對于位元幣挖礦來說，就是先給定一個難度值，然后不斷變換nonce，計算Block Hash，直到找到一個比給定難度值低的Block Hash，就算成功挖礦，

我們用簡化的方法來說明難度，例如，必須計算出連續17個0開頭的哈希值，礦工先確定Prev Hash，Merkle Hash，Timestamp，bits，然后，不斷變化nonce來計算哈希，直到找出連續17個0開頭的哈希值，我們可以大致推算一下，17個十六進制的0相當于計算了1617次，大約需要計算2.9萬億億次，

17個0 = 1617 = 295147905179352825856 = 2.9萬億億次
實際的難度是根據bits由一個公式計算出來，位元幣協議要求計算出的區塊的哈希值比難度值要小，這個區塊才算有效：

Difficulty = 402937298
= 0x18 0455d2
= 0x0455d2 * 28 * (0x18 - 3)
= 106299667504289830835845558415962632664710558339861315584
= 0x00000000000000000455d2000000000000000000000000000000000000000000
注意，難度值越小，說明哈希值前面的0越多，計算難度越大，

位元幣網路的難度值是不斷變化的，它的難度值保證大約每10分鐘產生一個區塊，而難度值在每2015個區塊調整一次：如果區塊平均生成時間小于10分鐘，說明全網算力增加，難度值也會增加，如果區塊平均生成時間大于10分鐘，說明全網算力減少，難度值也會減少，因此，難度值隨著全網算力的增級訓動態調整，

位元幣設計時本來打算每2016個區塊調整一次難度，也就是兩周一次，但是由于第一版代碼的一個bug，實際調整周期是2015個區塊，
根據位元幣每個區塊的難度值和產出時間，就可以推算出整個位元幣網路的全網算力，

位元幣網路的全網算力一直在迅速增加，目前，全網算力已經超過了100EH/每秒，也就是大約每秒鐘計算1萬億億次哈希：

全網算力

所以位元幣的作業量證明被通俗地稱之為挖礦，在同一時間，所有礦工都在努力計算下一個區塊的哈希，而挖礦難度取決于全網總算力的百分比，舉個例子，假設小明擁有全網總算力的百分之一，那么他挖到下一個區塊的可能性就是1%，或者說，每挖出100個區塊，大約有1個就是小明挖的，

由于目前全網算力超過了100EH/s，而單機CPU算力不過幾M，GPU算力也不過1G，所以，單機挖礦的成功率幾乎等于0，位元幣挖礦已經從早期的CPU、GPU發展到專用的ASIC芯片構建的礦池挖礦，

全網算力百分比

當某個礦工成功找到特定哈希的新區塊后，他會立刻向全網廣播該區塊，其他礦工在收到新區塊后，會對新區塊進行驗證，如果有效，就把它添加到區塊鏈的尾部，同時說明，在本輪作業量證明的競爭中，這個礦工勝出，而其他礦工都失敗了，失敗的礦工會拋棄自己當前正在計算還沒有算完的區塊，轉而開始計算下一個區塊，進行下一輪作業量證明的競爭，

為什么區塊可以安全廣播？因為Merkle Hash鎖定了該區塊的所有交易，而該區塊的第一個coinbase交易輸出地址是該礦工地址，每個礦工在挖礦時產生的區塊資料都是不同的，所以無法竊取別人的作業量，

位元幣總量被限制為約2100萬個位元幣，初始挖礦獎勵為每個區塊50個位元幣，以后每4年減半，

共識演算法
如果兩個礦工在同一時間各自找到了有效區塊，注意，這兩個區塊是不同的，因為coinbase交易不同，所以Merkle Hash不同，區塊哈希也不同，但它們只要符合難度值，就都是有效的，這個時候，網路上的其他礦工應該接收哪個區塊并添加到區塊鏈的末尾呢？答案是，都有可能，

通常，礦工接收先收到的有效區塊，由于P2P網路廣播的順序是不確定的，不同的礦工先收到的區塊是有可能的不同的，這個時候，我們說區塊發生了分叉：

在分叉的情況下，有的礦工在綠色的分叉上繼續挖礦，有的礦工在藍色的分叉上繼續挖礦：

最長鏈共識

但是最終，總有一個分叉首先挖到后續區塊，這個時候，由于位元幣網路采用最長分叉的共識演算法，綠色分叉勝出，藍色分叉被廢棄，整個網路上的所有礦工又會繼續在最長的鏈上繼續挖礦，

由于區塊鏈雖然最侄訓保持資料一致，但是，一個交易可能被打包到一個后續被孤立的區塊中，所以，要確認一個交易被永久記錄到區塊鏈中，需要對交易進行確認，如果后續的區塊被追加到區塊鏈上，實際上就會對原有的交易進行確認，因為鏈越長，修改的難度越大，一般來說，經過6個區塊確認的交易幾乎是不可能被修改的，

區塊確認

小結
位元幣挖礦是一種帶經濟激勵的作業量證明機制；

作業量證明保證了修改區塊鏈需要極高的成本，從而使得區塊鏈的不可篡改特性得到保護；

位元幣的網路安全實際上就是依靠強大的算力保障的，