当我们说比特币挖矿的时候，我们到底在说什么？|周明强有话说

比特币
(图片来源 pixabay.com)

挖矿

无论有没有买过、持有、研究过比特币。挖矿，这个跟比特币伴生的词，大家都或多或少都听过。但如果没有专门去了解比特币挖矿，即使是已经买了比特币的人，甚至靠比特币获得了上百万身家的人也不能说清楚为什么要挖矿，什么是比特币挖矿。

矿工挖矿的目的是为了获得利润，为了获得比特币。矿工是一群以赚取比特币为目的，建设、维护比特币网络的人。比特币通过经济激励让更多的人参与建设比特币网络，让比特币网络去中心化，也使得比特币网络更加的健壮。同时挖矿是制造比特币的唯一方法，这就相当于央行的铸币。

工作量证明

比特币网络上这么多的矿工，如何证明某个矿工挖到了一块“矿”，能在比特币链上添加一个区块。这就需要工作量证明。

工作量证明是指一小段满足一定要求，需要大量资源去计算才能产生,却可以轻易验证有效性的数据。挖矿这个词用得真的非常妙。做为一个矿工，无论你用的是什么设备，原始的锄头、先进的挖掘机……，都在努力的寻找到一块随机分布的、名为“工作量证明”的矿。如果某一矿工找到了这样的一块矿，他就可以在比特币区块链上添加一个区块，获得奖励。

比特币网络使用SHA-256算法做为工作量证明的手段。SHA-256是一种HASH算法，具有以下的特点：

同样的消息计算结果永远一样的。

快速计算出给定消息的hash结果。

除非尝试所有的可能信息，不然不能从HASH值反推出消息。

对消息再小的修改，即使是修改了一个bit，也会导致新计算出的HASH值与原来的HASH值完全不相关。

找到两个不同的内容具有一样的HASH值是不可行的。

矿工要挖得一个矿，就是通过SHA-256算法，把区块内容加上一个32位的nonce（随机数）构成的消息计算出一个小于目标的HASH值。如果找到了这样的一个nonce，则矿工成功的找到了一个工作量证明，能把区块写入区块链，获得奖励。

使用SHA-256这样的算法，使得比特币挖矿只能通过不断修改nouce的值，尝试计算出一个有效的HASH值，获得一个工作量证明。而不能通过别得手段获得工作证明。修改一个bit也使得HASH值与原来的结果完全不相关，这一特性使得挖到一块“矿”，就像是中彩票一样，你不知道是不是下一次修改就获得一个工作量证明。只有大量的计算才能增加中奖概率，这就是挖矿的工作量。

工作量证明其实不单单用在挖矿，在应对垃圾邮件上也有用武之地。如果使用SHA-256算法，一个正常的邮件发送，通过把邮件内容（含地址）和nonce计算一个低于目标值的HASH，因为只有一封邮件可以很轻易的完成。而对于那些制造垃圾邮件的人，因为需要大量的发送邮件就需要大量的计算能力。发送垃圾邮寄的收益如不能覆盖算力成本，就可以起到防止垃圾邮件的作用。

一个工作量证明的Hello,world!例子，想要获得一个以0000开头的HASH，需要计算4251次（从0开始计算）。

    public static void main(String[] args) {
        String content = "Hello, world!";
        int i = 0;
        do{
            String temp = content + i;
            String pow = DigestUtils.sha256Hex(temp);
            if(pow.startsWith("000")){
                System.out.println(temp);
                System.out.println(pow);
                break;
            }
            i ++ ;
        }while(true);
    }

Hello, world!0-->1312af178c253f84028d480a6adc1e25e81caa44c749ec81976192e2ec934c64
Hello, world!1-->e9afc424b79e4f6ab42d99c81156d3a17228d6e1eef4139be78e948a9332a7d8


Hello, world!4249-->c004190b822f1669cac8dc37e761cb73652e7832fb814565702245cf26ebb9e6
Hello, world!4250-->0000c3af42fc31103f1fdc0151fa747ff87349a4714df7cc52ea464e12dcd4e9

即使是0000开头的数据已经要求最少运行4251次，而比特币网络的难度是000000000000000000（18位）。（这是仅是直观的比较）
比特币区块

目标与难度

比特币设计要求平均每10分钟出一个块，这样的设计就要求挖矿的难度要可以调整的，当比特币网络的算力增加，出块的速度会加快，比特币网络的挖矿难度就会上升。当比特币网络的算力下降时，出块的速度就会下降，比特币网络的挖矿难度就会下降。

比特币网络按每出2006区块就调整一次难度。按设计的平均10分钟出块时间计算，比特币网络会每两周就调整一次挖矿难度。实际情况会有差别，当网络的算力增加，出块的速度增加，调整难度的时间就不需要两周;当网络的算力下降，出块的速度下降，调整难度的时间就会超过两周。挖矿难度的调整是按区块计算的，每2006个块调整一次难度。

挖矿难度调整其实就是调整目标值，目标值是用来衡量工作证明是否有效，只有工作证明小于目标值时，区块才能被写入到比特币区块链，才能被别的矿工接受，才能获得奖励。