从零搞懂区块链（5）：家里有矿心不慌

我们经常听到比特币网络中有“挖矿”和“矿工”的说法，这是什么意思呢？又是如何进行的呢？

文 | 王映

图 | 闫燕

矿工是比特币网络里的一种节点角色，他一直在收集网络中广播的交易记录，并致力于计算区块的数学难题及工作量证明。

矿工通过计算寻找符合要求的解（即满足要求的随机数），这个过程就称为挖矿。一旦找到了这个随机数，矿工就会向全网广播自己的结果。其它矿工节点可以检验其是否符合规则。只要其它节点通过计算哈希值发现其确实满足要求（小于目标哈希值），那么该数据块就是有效的，其他节点就会接受该数据区块，并将其附加在自己的区块链之后，从而延续比特币的区块主链。其它的矿工节点读取最新区块中的交易信息后，会将这些交易ID从自己的交易缓存池中清除出去，即不对交易进行重复打包。在更新了自己的比特币交易数据库和回滚交易数据库后，会立刻开始进行下一个区块的计算。

即然挖矿有奖励，那大家都来挖矿，同一时刻可能出现很多合格的区块，造成区块链容易分叉的问题。为了防止分叉，需要对挖矿的难度进行控制，减少同一时刻不同矿工挖出合格区块的几率，这就是挖矿的难度调整。

挖矿的难度是由哈希算法的性质决定的，计算出的哈希值的有效性跟目标值密切相关，只有小于目标值的哈希才是有效的，这个目标值是比特币网络里定义好的，是一种共识机制，无法人为修改。这个目标值非常小，计算出来的哈希值小于该值的几率是非常渺茫的，可能计算数十亿次才能够中一次，比如下图是某个计算出来的哈希值，要有18个前导0才能满足系统约定好的难度要求。这也就是挖矿如此之慢的根本原因。

区块头里面所有的特征值都是固定的，比如地址、交易信息、时间戳等等，那么如何让计算出来的哈希值产生变化呢？所以中本聪在设计区块头结构的时候，专门增加了一个随机项叫Nonce，矿工的工作就是猜出这个Nonce的值，使得计算出的区块头哈希值可以小于目标值，从而挖到一个能被其它节点接受的区块。

Nonce的值是非常的难猜的，目前来看只能通过穷举法一个一个的试验。协议中规定的Nonce值是一个32位的二进制值，最大可以达到21.47亿，要在这么多数字里面找到一个满足要求的值，计算量是非常大的。

挖矿难度是每隔一段时间就调整一次的。中本聪在设计比特币的时候，已经预见到了硬件的算力在不断地增长，而且加入到网络的节点数量也会随时发生变化，为了解决这个问题，中本聪提出了工作量证明（PoW）的思路，采用移动平均目标的方法来确定一个挖矿难度。使得在这个难度值下每小时生成区块的速度为某一预设的平均数，如果区块生成的速度过快，难度就会相应的提高。

为了防止难度变化过快，比特币网络的难度调整周期为2016个块。难度调整幅度要求小于一个阈值。目前是四倍，下一个难度值是当前难度值的四倍或1/4。如果超过四倍值，则按四倍处理，到下下一个难度调整周期再继续调整。

挖矿难度是怎么控制的呢？在区块头中有一个区块难度参数，称为Bits，它是用指数形式表示的一个256位难度目标值。例如Bits值为0x1b0404cb，则其对应的十六进制的目标Hash值就是：

矿工挖矿时计算出的区块哈希值，必须比这个值小（通常也说计算出的哈希值前导零的数量比目标哈希值的前导零多），才能被系统接受。所以说改变这个bits参数的值，就是改变了目标哈希值的大小，从而调整了挖矿的难度。调整的原则是保证全网大约每十分钟能够产生一个新的区块。再结合每四年减半的奖励机制，就可以保证在2140年左右产生总量为2100万个比特币的金融总量。改变这个bits参数的方法是每产生2016个区块，就检查一次出块所花费的时间，上一周期内全部区块的产生周期是否为两周，即约每十分钟出一个区块，共2016个区块。如果耗时大于两周，则难度会调低，如果小于两周，则难度会调高，最终保证大约十分钟产生一个新的区块。

等都挖完了，也就是说等到全部2100万个比特币全都发行结束以后。矿工就靠打包交易的手续费来继续维持挖矿的动力。因为到那时可能比特币扩容问题早已解决，交易吞吐量可能也已远远超过现在，于是就有比较可观的手续费来继续让矿工维持挖矿。手续费的存在，也可以防止大量微额交易对比特币网络的“粉尘攻击”。比特币也有更小的单位，最小可细分到小数点后8位（聪）。（1BTC=1亿聪）货币紧缩的政策促使更多的矿工加入到挖矿节点，保障了比特币网络的安全性。

按照比特币产出的运算公式，几乎每逢四年产出都会减半，最终达到极值2100万个，到2013年比特币已经产出了大约1100万个。每秒13G的矿机机器，按照2013年的全网算力和全网算力和难度，每天24小时大约能挖到0.035个比特币。所以说挖矿实际上是矿机装备性能的竞争，由非常多张显卡组成的挖矿机，组团之后的运算能力还是能够超越大部分用户的单张显卡的。

为什么要用显卡做矿机？挖矿主要是进行数据的并行计算，CPU主要是为串行指令而进行优化的，而GPU则是为大规模并行计算而优化的，现代的多核CPU针对的是指令级并行计算和任务的并行，而GPU则是进行数据的并行计算，GPU往往拥有更大的带宽和显存，也就是Memory，因此在大吞吐量的应用中也会有很好的性能，而且每台主机可以插多个显卡，工作效率比用CPU要更高。

目前主流的矿机计算的算力为14T左右，也就是说每秒钟大概可以计算1.4×1013次哈希。一个矿工在全网算力中的占比，也就是他获得记帐权的概率。也就是说你希望挖到更多的比特币，那么你就要相应的提高自己的计算能力，也就是相应地要提高自己挖矿设备的资金投入，这两者之间是正比的关系。比如你想要达到全网20%的记账概率，那么你的算力也必须要达到全网算力的20%。

由于单台矿机的算力有限，所以目前产生了矿池的概念。矿池就是由很多计算机联合在一起，组成一个巨大的计算设备（矿池）来进行挖矿。

矿池就可以突破地理位置的限制，将分散在全球的矿工的算力进行连接，一起来挖矿。矿池负责信息的打包和区块的发布，接入进来的矿场算力负责竞争记账权，也就是计算区块哈希值的Nonce值。矿池挖矿所产生的比特币奖励，会按照每个矿工贡献算力的占比来进行分配。

目前全球排名前五的矿池：蚂蚁矿池，莱比特矿池，BT c dot，com鱼池，viaBTC都是中国的矿池chi，中国矿池算力已占全网75%以上。世界上首台挖矿专用芯片由我国芯片企业阿瓦隆于2012年研发制造，目前已经迭代到第四代。

全球比特币的节点分布，主要分布在美国和欧洲，中国的算力虽然巨大，但是比特币的全节点数量并不多，只占到全球的7.03%，而美国则占了27.66%。

挖矿相关的内容就先介绍到这里，下一次我们将就比特币的交易过程进行分析，从而逐渐深入地对区块链的运作过程及原理抽丝剥茧，欢迎大家持续关注！