區塊鏈 | 比特幣與區塊鏈原理&什麼是礦機挖礦

前言

本章內容主要有：什麼是比特幣、比特幣的起源與發展、區塊及區塊鏈的定義，礦機挖礦的原理。

什麼是比特幣

比特幣(BitCoin)是一種P2P形式的虛擬貨幣。2008年，一個名叫中本聰(Satoshi Nakamoto)的人發明了比特幣，他在網絡上發表了《比特幣:一種點對點的電子現金系統》，即《白皮書》。點對點的傳輸意味着一個去中心化的電子記賬系統的建立。

去中心化的電子記賬系統

和傳統的記賬方式不同（傳統記賬由銀行來進行操作，可信度基於國家信用），去中心化則不需要依靠傳統銀行機構，每個人的賬單記錄都是公開的。

舉例來說，有A,B,C,D四個人進行交易，每次交易內容都會告訴其它三個人。

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區塊&&區塊鏈

A,B,C,D四個人的賬單信息進行打包，就形成了一個區塊(block)。一般來說一個區塊的大小大約爲1M，可以存放4000條左右的記錄。

一個區塊打包完成之後，把它接到前一個區塊上，並且之後打包的區塊接在目前這個區塊之後，這樣形成的一條鏈我們稱爲區塊鏈(Block Chain)。

爲何我需要記賬？

記錄和自己的資金不相干的賬單，佔用了自己的電腦資源，我們爲什麼要記賬？

記賬獎勵
記賬是由於記賬可以得到獎勵。
（1）手續費
舉例來說，A支付10個比特幣給B，實際上A支付的要比10個比特幣多一點，多出的一點就是給記賬人的手續費。（比特幣交易的手續費比傳統交易的手續費低）
（2）打包獎勵
從比特幣系統運行開始，在第一個四年裏，每打一次包獎勵50個比特幣，在第二個四年裏，每打一個包獎勵25個比特幣，在第三個四年裏，每打一個包獎勵12.5個比特幣…依次類推，每過一個四年，打包獎勵少一半。

比特幣總量

中本聰在最初提出比特幣時，規定每十分鐘打一個包。我們可以計算出比特幣總量如下：

50 * 6 * 24 * 365 * 4 * (1/2 + 1/4 +1/8 + …(1/2)ⁿ)=2100萬

賬單以誰爲準？

因爲記賬獎勵豐厚，一羣人搶着去進行打包，但由於網絡延遲，可能每個人收到賬單不同，這種時候該以誰爲準？

工作量證明

每一個參與打包的用戶都要去做一個很難的數學題，如果你可以做出這道數學題，就可以去進行打包了。這個數學題難到沒有哪一個人可以通過腦子去計算出來，而必須通過一個一個數去嘗試，直到你去把這個數嘗試出來了，就有機會去獲得獎勵，這個過程叫做挖礦。

挖礦原理

哈希函數

我們可以通過運算，把一串字符串轉化成爲一個摘要的形式。 並且正着算容易，反過來算很難（即可以通過字符串得到摘要，但不能通過摘要獲得字符串）
以SHA256函數舉例：

sha256("abcd") = 1010...(256位二進制數)
正算很容易，反算很難。如果給出一串256位的二進制數，求原來的輸入，就只能通過一個一個嘗試的方式去尋找。

具體原理

區塊由頭部和賬單信息組成。

假設現在有很多人想要去接塊，每個人都有一分記錄好的賬單。
在接塊的時候必須要算一個數學題：
1.字符串：前塊的頭部+賬單信息+時間戳+…+隨機數
2.Hash=sha256(sha256(字符串))
3.計算得到的Hash值需要符合要求

比如說要求前n位爲0:即 Hash=000…11011（前n位爲0即可滿足條件，獲得接塊的權利）

4.符合要求之後進行打包
把計算得到的Hash值作爲新塊的頭部，賬單作爲新塊的信息，即可打包成一個新塊從而獲得獎勵。

怎麼去使得字符串滿足要求？
我們來看字符串的組成，字符串：前塊的頭部+賬單信息+時間戳+…+隨機數

我們可以改變的只有隨機數，二進制從0開始一直嘗試。 每個人的計算難度是不一樣的，但是平均而言，挖到礦的可能性大小與計算能力相關聯，誰的計算能力強，誰就有更大的可能去挖到這個礦。

挖礦難度設置

挖礦難度由要求Hash值的前n位來設置。
前n位爲指定數，比如前n個都是0，概率爲 (1/2)ⁿ 。
中本聰當初設置在每十分鐘出一個塊，如何保證在10分鐘內能出一個塊呢？則需要調整n的大小即挖礦難度。

例：假設世界上有10⁴臺礦機，每臺礦機的運算速度爲14T/s(即每秒可以進行1.4 * 10¹³次哈希運算)
10min計算次數：1.4 * 10¹³ * 10⁴ * 600 = 8 * 10¹⁹ ,大概相當於 2⁶⁶ 。在這種情況下，就會把難度n設置爲66。