在比特幣的P2P網(wǎng)絡(luò)中，有一類節(jié)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(qū)塊并附加到區(qū)塊鏈上，這類節(jié)點就是礦工。因為每打包一個新的區(qū)塊，打包該區(qū)塊的礦工就可以獲得一筆比特幣作為獎勵。所以，打包新區(qū)塊就被稱為挖礦。

比特幣的挖礦原理就是一種工作量證明機制。工作量證明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(qū)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？

哈希游戲開發(fā)，NFT卡牌競猜游戲系統(tǒng)定制，區(qū)塊鏈項目系統(tǒng)開發(fā)，歡迎隨時打擾小編，當小明成功地打包了一個區(qū)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個比特幣。為什么比特幣的P2P網(wǎng)絡(luò)會承認小明打包的區(qū)塊，并且認可小明得到的區(qū)塊獎勵呢？

因為比特幣的挖礦使用了工作量證明機制，小明的區(qū)塊被認可，是因為他在打包區(qū)塊的時候，做了一定的工作，而P2P網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點可以驗證小明的工作量。

工作量證明

什么是工作量證明？工作量證明是指，證明自己做了一定的工作量。例如，在駕校學(xué)習(xí)了50個小時。而其他人可以簡單地驗證該工作量。例如，出示駕照，表示自己確實在駕校學(xué)習(xí)了一段時間：

比特幣的工作量證明需要歸結(jié)為計算機計算，也就是數(shù)學(xué)問題。如何構(gòu)造一個數(shù)學(xué)問題來實現(xiàn)工作量證明？我們來看一個簡單的例子。

假設(shè)某個學(xué)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，能實現(xiàn)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(shù)學(xué)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：

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(jié)果，這個計算過程就需要一定的工作量。假設(shè)小明率先計算出了結(jié)果x＝2.5，小紅可以簡單地驗證這個結(jié)果是否正確：

可以看出，解方程很困難，但是，驗證結(jié)果卻比較簡單。所以，一個有效的工作量證明在于：計算過程非常復(fù)雜，需要消耗一定的時間，但是，驗證過程相對簡單，幾乎可以瞬間完成。

現(xiàn)在出現(xiàn)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(fā)送不同的方程，方程的第一項的系數(shù)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(jié)果驗證小軍的方程是無法通過驗證的。

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(shù)得知是誰解出的方程。所以，竊取別人的工作量證明的結(jié)果是沒有用的。

通過工作量證明，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。

在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，礦工的挖礦也是一種工作量證明，但是，不能用解多項式方程來實現(xiàn)，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(nèi)完成。

要讓計算機實現(xiàn)工作量證明，必須找到一種工作量算法，讓計算機無法在短時間內(nèi)算出來。這種算法就是哈希算法。

通過改變區(qū)塊頭部的一個nonce字段的值，計算機可以計算出不同的區(qū)塊哈希值：

直到計算出某個特定的哈希值的時候，計算結(jié)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：

比特幣挖礦的工作量證明原理就是，不斷嘗試計算區(qū)塊的哈希，直到計算出一個特定的哈希值，它比難度值要小。

比特幣使用的SHA-256算法可以看作對隨機輸入產(chǎn)生隨機輸出，例如，我們對字符串Hello再加上一個數(shù)字計算兩次SHA-256，根據(jù)數(shù)字的不同，得到的哈希是完全無規(guī)律的256位隨機數(shù)：

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(xiàn)的概率是1/16：

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(xiàn)的概率是162=256，實際計算44次：

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：

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：

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：

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：

對于給定難度的SHA-256：假設(shè)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。

對于比特幣挖礦來說，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(xù)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(xù)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。

實際的難度是根據(jù)bits由一個公式計算出來，比特幣協(xié)議要求計算出的區(qū)塊的哈希值比難度值要小，這個區(qū)塊才算有效：

注意，難度值的數(shù)值越小，說明哈希值前面的0越多，計算的難度越大。

比特幣網(wǎng)絡(luò)的難度是不斷變化的，它的難度保證大約每10分鐘產(chǎn)生一個區(qū)塊，而難度值在每2015個區(qū)塊調(diào)整一次：如果區(qū)塊平均生成時間小于10分鐘，說明全網(wǎng)算力增加，難度也會增加，如果區(qū)塊平均生成時間大于10分鐘，說明全網(wǎng)算力減少，難度也會減少。因此，難度隨著全網(wǎng)算力的增減會動態(tài)調(diào)整。

比特幣設(shè)計時本來打算每2016個區(qū)塊調(diào)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(diào)整周期是2015個區(qū)塊。

根據(jù)比特幣每個區(qū)塊的難度值和產(chǎn)出時間，就可以推算出整個比特幣網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)算力。

比特幣網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)算力一直在迅速增加。目前，全網(wǎng)算力已經(jīng)超過了100EH/每秒，也就是大約每秒鐘計算1萬億億次哈希：

所以比特幣的工作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(qū)塊的哈希。而挖礦難度取決于全網(wǎng)總算力的百分比。舉個例子，假設(shè)小明擁有全網(wǎng)總算力的百分之一，那么他挖到下一個區(qū)塊的可能性就是1%，或者說，每挖出100個區(qū)塊，大約有1個就是小明挖的。

由于目前全網(wǎng)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。比特幣挖礦已經(jīng)從早期的CPU、GPU發(fā)展到專用的ASIC芯片構(gòu)建的礦池挖礦。

當某個礦工成功找到特定哈希的新區(qū)塊后，他會立刻向全網(wǎng)廣播該區(qū)塊。其他礦工在收到新區(qū)塊后，會對新區(qū)塊進行驗證，如果有效，就把它添加到區(qū)塊鏈的尾部。同時說明，在本輪工作量證明的競爭中，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(qū)塊，轉(zhuǎn)而開始計算下一個區(qū)塊，進行下一輪工作量證明的競爭。

為什么區(qū)塊可以安全廣播？因為Merkle Hash鎖定了該區(qū)塊的所有交易，而該區(qū)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(chǎn)生的區(qū)塊數(shù)據(jù)都是不同的，所以無法竊取別人的工作量。

比特幣總量被限制為約2100萬個比特幣，初始挖礦獎勵為每個區(qū)塊50個比特幣，以后每4年減半。

共識算法

如果兩個礦工在同一時間各自找到了有效區(qū)塊，注意，這兩個區(qū)塊是不同的，因為coinbase交易不同，所以Merkle Hash不同，區(qū)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(wǎng)絡(luò)上的其他礦工應(yīng)該接收哪個區(qū)塊并添加到區(qū)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(qū)塊，由于P2P網(wǎng)絡(luò)廣播的順序是不確定的，不同的礦工先收到的區(qū)塊是有可能的不同的。這個時候，我們說區(qū)塊發(fā)生了分叉：

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

但是最終，總有一個分叉首先挖到后續(xù)區(qū)塊，這個時候，由于比特幣網(wǎng)絡(luò)采用最長分叉的共識算法，綠色分叉勝出，藍色分叉被廢棄，整個網(wǎng)絡(luò)上的所有礦工又會繼續(xù)在最長的鏈上繼續(xù)挖礦。

由于區(qū)塊鏈雖然最終會保持數(shù)據(jù)一致，但是，一個交易可能被打包到一個后續(xù)被孤立的區(qū)塊中。所以，要確認一個交易被永久記錄到區(qū)塊鏈中，需要對交易進行確認。如果后續(xù)的區(qū)塊被追加到區(qū)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(jīng)過6個區(qū)塊確認的交易幾乎是不可能被修改的。