以前做過礦池開發，也看了很多有關挖礦算法的技術文章，一頭霧水，也花了很長時間去理解。在《白話區塊鏈》中挖礦章節中說的通俗易懂，分享出來，希望對同學們能有所幫助。
很多朋友在第一次看到“挖礦”這個詞時都很疑惑，包括本人。比特幣不是一個軟件嗎？通過軟件來挖礦是什麼意思？從字面上來看，應當是通過投入某種工作，然後能得到一個“寶貝”，也就是礦。當然了，“挖礦”自然不是我們通常認爲的那個挖礦，它只是一套算法，在介紹算法過程前，我們先來了解下挖礦在比特幣軟件中主要都有哪些用途：
·搶奪區塊打包權
·驗證交易事務
·獎勵發行新幣
·廣播新區塊
我們知道，比特幣是一個對等網絡，每個節點都可以獨立維護自己的數據副本，那麼問題就來了，怎麼來保證彼此之間的數據一致呢？既然沒有一箇中心服務器，自然也就沒有一個傳統意義上的權威數據來源了。這就得有一個約定的規則，大家共同按照這個規則來進行競爭，誰競爭成功了誰就有數據的打包權，也就是記賬權，打包完成後廣播給別人，別人只要驗證一下有無問題即可，沒有問題就存入到自己的數據文件中。這個思路不錯，等於就是大家來競爭臨時中心服務器的資格，那麼比特幣中實行了一種什麼樣的規則呢？那就是被稱爲工作量證明（Proof of Work，PoW）的一種算法，其實就是類似於擲骰子的一種遊戲。如大家約定擲出一個10位長度的數字，前面6位要都是0，後面的4位數得小於某個值，看誰先擲出符合要求的數字出來，誰就搶得了打包權（記賬權）。我們來看下比特幣中具體是怎麼來擲這個骰子的。
1.難度值
首先，既然是大家都在競爭擲骰子，那擲出來的數字必然是要符合一個難度的，這個難度就是一個門檻，在比特幣軟件中，規定一個256位的整數：
x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
作爲難度1的目標值。在比特幣誕生初期，當時的全網算力，大約需要10分鐘左右的運算能得到一個符合這個難度1要求的值，這也是我們常常說比特幣網絡每隔大約10分鐘出一個區塊的來源。我們在查詢創世區塊（也就是0號區塊）的信息時，可以看到當時的難度就是1。那麼，所謂符合這個難度爲1的要求的值是什麼意思呢？就是說通過工作量證明算法，也就是比特幣中的挖礦算法來計算出一個結果，這個結果要小於這個難度目標值，我們來看下0號區塊的難度信息："nonce": 2083236893,
"bits": "1d00ffff",
"difficulty": 1,
這些信息可以通過比特幣支持的JSON-RPC中的getblock命令方法獲得，其中的difficulty就是指難度級別。0號區塊的難度值是1，nonce是一個隨機數，是挖礦計算得到的一個數字，這個等會兒再介紹，bits是用來存儲難度的十六進制目標值的，這個難度目標值是存儲在區塊的頭部的，在源碼中被定義爲一個4字節長度的字段，4字節也就是32位，要用來存儲256位長度的難度目標值，因此這256位長度的值需要經過壓縮處理後才能放到這個字段中。以這個難度1的目標值來說，我們查詢區塊信息後，看到的值是1d00ffff，那麼，這個值是怎麼壓縮而來的呢？規則其實很簡單，我們一共有4個字節來存儲，這4個字節的最高位字節用來存儲難度值的有效字節數。什麼叫有效字節數？就是從第一個不全爲0的字節開始的部分，比如難度1的值有效位是0x00FFFF……。等等，怎麼前面有2個0呢？這是因爲在壓縮規則中，規定了如果難度值有效位的最高位爲1（大於0x80），則需要在前面補上一個0x00，這裏的最高位是F，也就是二進制的1111，因此是符合這個規則的。難度1的目標值中，有4個字節長度的0，減掉這些0的長度共32bit，剩餘256-32=224，也就是28個字節，加上補的0x00，因此，有效位總計29個字節，29的十
六進制是1D，另外3個字節中存儲的是目標值有效位的最高3個字節，此時的目標值有效位前面已經加上了2個0，因此最高3個字節爲0x00FFFF，合起來壓縮後的值就是0x1D00FFFF。對於這樣的一個壓縮後的十六進制4字節難度目標值，前2位通常稱爲冪者指數，後面6位稱爲係數。
那麼，有朋友問了，壓縮是可以，那還原出來呢？我們看個公式：
目標值=係數*2^（8*（指數-3））次方。
我們就以這個0x1D00FFFF爲例來說明，係數是後面6位也就是00FFFF，指數是前面2位也就是1D，代入進去就是：
0x00FFFF*2^（8*（0x1D-3）），計算後得到的值是：
0x00000000FFFF00000000000000000000000000000000000000000000000
有朋友可能疑惑了，不對吧，這個跟規定的那個難度1的值不一樣了啊，精度少了很多，確實是的，存儲在bits中的值是一個精度截斷的近似值。我們以200000號區塊爲例，查詢一下難度值，得到如下：
"nonce": 4158183488,
"bits": "1a05db8b",
"difficulty": 2864140.507810974,
我們來看看這個difficulty的值是怎麼來的，0號區塊的難度是1，對應的目標值是0x1D00FFFF，200000號區塊的難度目標值是0x1A05DB8B，將兩者的目標值按照上述公式進行轉換後相除便能得到這個2864140.507810974的難度值，我們發現，200000號區塊的difficulty比0號區塊的大許多，而bits的大小卻比0號區塊的小許多。這其實是表明了一個特點，隨着全網算力越來越強，difficulty難度值就會越來越大，而bits表示的目標值會越來越小，這兩者成反比，目標值越小就越難挖礦。剛纔也提到了，難度值並不是一成不變的，比特幣差不多每兩週會調整一下新的難度值，因爲計算的算力是會變化的，爲了維持差不多10分鐘出一個區塊的節奏，難度要跟隨算力變化而調整，不得不說比特幣的設計還是相當完整的。
新難度值的計算公式是這樣的：新難度值=當前難度值×（最近的2016個區塊的實際出塊時間/20160分鐘）。2016個區塊的意思是：假設按照理論的10分鐘出一個塊，2周也就是14天的時間，應該出2016個區塊，可以看到實際上就是計算一下實際與理論上的時間差值，彌補上這個差值即可。
2.挖礦計算
我們瞭解了難度值的概念，現在來看看挖礦計算具體是怎樣一個過程。首先，我們說了挖礦是要搶奪區塊打包權，那就得收集需要打包進區塊的那些交易事務，那這些數據從哪來呢？這裏有個概念需要大家注意，打包就像是記賬，是把發生的交易事務記錄下來存檔，但是無論什麼時候打包、誰打包，在網絡中發生的交易是持續不斷的，就像企業倉庫的進銷存業務，無論記賬員是一個月還是半個月記一次賬，業務是持續進行的。在比特幣系統中，每個人都會將通過錢包進行的轉賬交易數據廣播到網絡中，這些都是屬於等待打包的未確認交易數據。這些數據都會放在一個內存池中，總之就是一個緩衝區，當然，這些數據都會被
接受基本的驗證，用以判斷是否是不合法的或者是不符合格式的交易數據。
挖礦程序從內存池中獲取用來打包區塊的交易數據，接下來就要幹活啦，我們來看一下挖礦的計算公式：
SHA256(
SHA256(version + prev_hash + merkle_root + ntime + nbits + nonce )
) < TARGET
SHA256是一種哈希算法，可以通過對一段數據進行計算後輸出一個長度爲256位的摘要信息。SHA256在比特幣中使用很廣泛，不但用於挖礦計算，也用於計算區塊的哈希值和交易事務的哈希值，比特幣對SHA256算法是情有獨鍾啊，我們看到在這個公式中，是對參數進行兩次SHA256計算，如果計算出來的值小於那個TARGET（也就是難度目標值），那就算是挖礦成功了。那麼，這些參數都是由哪些組成的呢？請看下錶：
這些數據字段其實也是區塊頭的組成部分，將這些參數連接起來，參與SHA256的挖礦計算。在這些參數中，版本號是固定的值，前一個區塊的哈希值也是固定的值，當前難度也是一個固定的值，那麼要想改變這個公式的計算結果，能改動的參數就只有梅克爾根、區塊時間戳和那個隨機數了。
1）梅克爾根是通過交易事務計算出來的，挖礦程序從內存池中獲取待打包的交易事務，然後計算出梅克爾根，獲取交易事務本身也是有一些優先級規則的，比如根據手續費大小之類，這些細節就不贅述了。
2）區塊時間戳是指UNIX時間戳，用於記錄區塊的產生時間，我們知道比特幣系統是分佈式的網絡，沒有固定的時間服務器，因此每個節點獲得的時間戳都可能是不一樣的，由此，比特幣系統中設置了規則：
①新產生區塊的時間戳要大於之前11個區塊的平均時間戳；
②不超過當前網絡時間2個小時。所以，後一個區塊的時間戳比前一個區塊的時間戳反而小也是可能的。
3）隨機數是一個可自由取值的數值，取值範圍是0～2的32次方。我們可以看到，要通過這樣的參數來計算出符合條件的值，基本上也就只能靠暴力計算匹配了，這種不斷執行SHA256計算的過程很消耗算力，因此這個過程被形象地稱爲“挖礦”。簡單地說，挖礦就是重複計算區塊頭的哈希值，不斷修改該參數，直到與難度目標值匹配的一個過程。一旦匹配成功，就可以廣播一個新的區塊，其他客戶端會驗證接收到的新區塊是否合法，如果驗證通過，就會寫入到自己的區塊鏈賬本數據中。那麼，挖礦的獎勵在哪兒呢，不是說礦工成功出一個區塊就能得到比特幣作爲獎勵的嗎？那麼這裏獎勵在哪呢？這個獎勵其實是作爲一條交易事務包含在區塊的交易事務中的，相當於系統給礦工轉賬了一筆比特幣，這種交易事務由於特殊性，通常稱爲coinbase交易，這個交易一般是位於區塊中的第一條，比特幣系統也正是通過這種挖礦獎勵的方式發行新的比特幣，就像央行發行新鈔一樣。
作者：韓璐
來源：《白話區塊鏈》
著作權歸作者所有。商業轉載請聯繫作者獲得授權，非商業轉載請註明出處。