說點閑話

算了下，我大概有10天沒有在幣乎更文了，那這些天，我干什么去了？我覺得有必要跟大家聊聊。暫時離開幣乎，不是因為我偷懶，不想寫文章了，而是我想冷靜下來，把自己學習區塊鏈這2，3個月以來腦子里混亂的東西給理清楚。我想知道自己為什么要寫文章？我學習區塊鏈的目的是什么？我能夠堅持多久？事實上，我不是一個喜歡隨大流的人，所以我不會見到別人日更就去日更，我更不想為了寫作而寫作。好了，現在這幾個問題，我都找到了我自己的答案，所以我回來繼續寫作了。關于那幾個問題的答案，就暫時不細說了，我想說說我這些天干了什么。我去深入了解了幾個我看好的項目，包括eos，gxs，qtum，btm；我還去體驗了幾個平臺，包括，candy.one、pressone、iVeryOne、ONT。我還去把曾經學習過的區塊鏈的書翻過來重新看看，去學習了GO語言的編程（很多區塊鏈項目開發會使用）。

你所知道的工作量證明機制

說的稍微有點多了，現在正式進入到今天的話題比特幣挖礦--工作量證明機制的底層原理到底是什么樣的？說到挖礦和POW工作量證明機制，我相信有不少朋友都會知道一些，比如，比特幣每10分鐘會產生一個區塊；礦工是根據解答一道系統給出的難題來獲得記賬的權利的，算力越高，獲得記賬權利的機會就越大。而我今天主要是想跟大家詳細分析一下礦工們是如何競爭記賬的，也就是說如何競爭解決這道難題的，以及這個經常被我們提及的區塊（block）到底是什么樣的？

我們都知道比特幣的區塊的產生是通過POW（Proof Of Work）工作量證明機制來完成的，整個網絡平均10分鐘就會產生一個區塊，而且伴隨著區塊的產生，系統會獎勵一定數量的比特幣給在這個區塊上記賬的礦工。說道這里，請大家思考2個問題。

• 問題一：系統獎勵的比特幣的數量是多少？是恒定不變的嗎？
  比特幣的創世區塊是在2008年，由中本聰挖出的，按照比特幣白皮書的規定，每挖出一個區塊，系統就會獎勵50個比特幣，每四年，獎勵減半，到現在的話，獎勵是12.5個比特幣。注意：這里的每四年是一個大概值，實際上是說每挖出21萬個區塊獎勵就減半，大家可以自己算算，挖出21w個區塊的時間是3.99年，所以大致是每4年減半。

• 問題二：系統如何來判斷誰擁有這個區塊的記賬權呢？
  為了解決這個問題，比特幣系統引入了POW共識機制，也就是工作量證明機制，這也是比特幣系統的靈魂所在。這個算法很簡單，就是系統出一道數學題，誰能夠最先解答出來，誰就會產生一個區塊，并在上面記賬。其實這種機制，我們生活中處處可見，比如我們的各種考試，考證。它的原理是：既然監督你們工作的過程是非常低效的，那好，我不管你是去如何工作的，我根據考試的結果來判斷你是否做了很多的工作。

工作量證明的基本原理

你做了一定難度工作產生了一個結果，系統根據結果來驗證你是否做了相應的工作。大致流程如下：

圖片來源：《區塊鏈：定義未來金融與經濟格局》

舉個例子
給定的一個基本的字符串"Hello, world!"，我們給出的工作量要求是，可以在這個字符串后面添加一個叫做nonce的整數值，對變更后（添加nonce)的字符串進行SHA256哈希運算，如果得到的哈希結果（以16進制的形式表示）是以"0000"開頭的，則驗證通過。為了達到這個工作量證明的目標。我們需要不停的遞增nonce值，對得到的新字符串進行SHA256哈希運算。nonce的初始值為0

"Hello, world!0" => 1312af178c253f84028d480a6adc1e25e81caa44c749ec81976192e2ec934c64
...............
"Hello, world!4249" => c004190b822f1669cac8dc37e761cb73652e7832fb814565702245cf26ebb9e6
"Hello, world!4250" => 0000c3af42fc31103f1fdc0151fa747ff87349a4714df7cc52ea464e12dcd4e9

結果是需要4251次運算才能解答正確，當然這里只是一個簡單的例子，實際上比特幣系統的機制與這個小例子類似，但是比它更復雜，也就意味著需要更大的算力才能成功解題。

實際的比特幣系統中又是如何出題和解題的呢？
比特幣采用的是SHA-256算法，這是哈希運算的一種。礦工要計算的工作量就是通過解決下面這個哈希函數的未知參數，大概數學公式是這樣的。

Hash(上一個區塊的Hash值，交易記錄集，隨機數X) = 0000a2a5FD6g

由于比特幣網絡中節點去生成一個區塊是，總是基于目前存在的最新的區塊，所以每個礦工在計算之前已經能夠獲取到上一個區塊的所有信息，所以，Hash（）函數的前2個參數都是確定的，最后的值也是確定的，礦工要做的就是去做大量的嘗試計算,找到一個隨機數X，使得Hash的結果以若干個0開頭，當然在每道題中0的個數不確定。哪個節點最先算出，就會產生一個新的區塊，并記賬。

下面是我從https://blockchain.info找的一個區塊#516559，你可以看看Hash值，一共18個0，再看看這個Nonce隨機數，可以看出這次解題是經過了數億次運算才成功。

到這里，我們已經知道礦工們為了獲取系統給出的比特幣，就會去耗費自己的算力和電力來解決難題。這道難題的3個關鍵點是：工作量證明函數、區塊、難度值。

工作量證明函數

工作量證明函數是指這道題的計算方法，在比特幣的網絡中是SHA-256。SHA是一種安全散列算法，主要用于數字簽名。SHA-256是這個函數家族中的一員，它的特點是通過哈希算法運算之后，輸出值為256位。到目前為止，還沒有出現對SHA-256算法的有效攻擊。

區塊

區塊的作用是記載比特幣網絡中合法的交易。區塊包含的交易列表則附加在區塊頭后面，其中的第一筆交易是coinbase交易，這是一筆為了讓礦工獲得獎勵及手續費的特殊交易。下面這張圖是我自己畫的一個關于區塊的簡圖，比特幣挖礦都是基于已存在的最新區塊去生成下一個區塊。區塊主要由區塊頭和交易列表組成。

區塊頭的詳細數據結構如下：

區塊包含的交易列表則附加在區塊頭后面，其中的第一筆交易是coinbase交易，這是一筆為了讓礦工獲得獎勵及手續費的特殊交易。

所以一個完整的區塊數據結構如下：

圖片來源：《區塊鏈：定義未來金融與經濟格局》

難度值

難度值是礦工挖礦的難度指標，它表示礦工大概需要多少次哈希運算才能產生一個合法區塊。我們已經知道比特幣的區塊大約每10分鐘生成一個，而全網的算力是在不斷變化的，比特幣系統要讓產生新區塊的時間基本維持在10分鐘，就得不斷去調整挖礦的難度值。通過去不斷的調整難度值，才使得新區塊的產生平均保持在10分鐘。

難度值的調整是在每個完整的節點中獨立發生的，而且是每隔2016個區塊（大概2周的時間）才會進行一次自動調整。具體來說就是實際挖礦的時常和期望時常（每個區塊10分鐘）相比較，如果產生區塊的時常大于10分鐘，就降低難度值，反之，則增加難度值。

這個公式可以總結為如下形式：

新難度值 = 舊難度值 * ( 過去2016個區塊花費時長 / 20160 分鐘 )

工作量證明還需要有一個目標值，計算公式如下：

目標值 = 最大目標值／難度值

最大目標值是固定的：0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF

目標值是指當前區塊生成所達成目標值的hash值，用來表示礦工的工作量證明，只有當礦工計算出來的hash值小于目標值，才表示挖掘區塊成功。

通過以上內容，我們可以大致總結下比特幣挖礦（工作量證明）的過程。通過不停的變換區塊中的nonce隨機數的值，并將它作為SHA-256哈希運算的輸入，直到找到一個值，可以讓運算之后的哈希值有指定個數的0為前導。0的個數越多，挖礦難度越大。

以下總結來自《區塊鏈：定義未來金融與經濟格局》
比特幣挖礦，也就是解決這道工作量證明難題的步驟大致歸納如下：

1、生成Coinbase交易，并與其他所有準備打包進區塊的交易組成交易列表，通過Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash

2、把Merkle Root Hash及其他相關字段組裝成區塊頭，將區塊頭的80字節數據（Block Header）作為工作量證明的輸入

3、不停的變更區塊頭中的隨機數即nonce的數值，并對每次變更后的的區塊頭做雙重SHA256運算（即SHA256(SHA256(Block_Header))），將結果值與當前網絡的目標值做對比，如果小于目標值，則解題成功，工作量證明完成。

該過程可以用下圖表示：

通過以上介紹，我們已經知道，礦工是如何去解題以及怎樣才算是解題成功了。現在我們一起來思考一個問題。

Question

按照上面提到的Hash算法，只要礦工計算出來的區塊的哈希值小于目標值，就算是完成了工作量證明，那么也就有可能差不多在同一時間，有2個以上的礦工都完成了工作量證明，并且把消息廣播出去。那也就意味著同一高度可能存在多個區塊，也就是說主鏈即出現分叉(Fork)，但是呢，肯定只能有一個區塊來記賬，那此時比特幣系統又該如何判決呢？

如果遇到分叉時，網絡會根據下列原則選舉出Best Chain：

• 1、不同高度的分支，總是接受最高（即最長）的那條分支
• 2、相同高度的，接受難度最大的
• 3、高度相同且難度一致的，接受時間最早的
• 4、若所有均相同，則按照從網絡接受的順序
  等待Block Chain高度增一，則重新選擇Best Chain

產生分叉時，區塊鏈大概是這樣的。

從這幅圖我們可以看出2點，第一：在同一高度可能會產生分叉（fork），第二：有一條最長的鏈（黑色的那條就是）。

這里就要稍微簡單介紹一下比特幣系統的最長鏈機制了。我們知道，每個新區塊的產生是要基于一個以前的區塊，而絕大多數礦工會選擇最長鏈的最后一個區塊來計算下一個區塊，因為只有最長鏈上的區塊才能獲得比特幣系統的認可，并得到挖礦的獎勵。而其他的分支則是無效分枝，不能得到任何獎勵，只能白白的浪費自己的算力和電力。這是保證區塊鏈不發生分裂的重要機制。

所以現在會有很多礦工會選擇抱團組成礦池，這樣才能保持長期成為最長分支。

最后一步，驗證機制

在節點（礦工）完成工作量證明（也就是找到滿足指定哈希值的隨機數nonce）之后，會馬上對全網進行廣播，網絡的節點收到廣播打包區塊，會立刻對其進行驗證。如果驗證通過，其他節點（礦工）將不再競爭打包這個區塊，而是選擇接受這個區塊，并將打包后的數據記錄在自己的賬本中，然后繼續進行下一個區塊的競爭答題中。

感謝以下作者
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http://www.infoq.com/cn/articles/bitcoin-and-block-chain-part02