区块链挖矿原理

首先，我们来思考一下为什么每个区块链系统都要发行自己的数字货币？也就是前段时间的ICO热。
这里面就涉及到区块链的根本作用，这个作用就是：实现社会价值在区块链上的自由流通（类比互联网的根本作用：实现信息的自由流通）。
比如我可以针对汽车开发一个汽车链，针对房子开发一个房子链，针对母猪开发一个母猪链等等。如果一个组织或个人的能量足够大，也可以发布一个面向全行业的链，那汽车、房子、母猪……想在各自的链上自由流转，从A的名下流转到B的名下，或者从C的名下流转到D的名下，一定需要个度量的尺度。
这个尺度就是靠支出相应的数字货币来完成的。换句话说，每条链发布的数字货币，充当的是该链上价值流通的一般等价物。
做个现实的类比：也就是我们生活中用于交易的人民币、美元、泰铢、英镑等中央货币，在我们购物时充当的作用。
每条链可以类比成一个国家，每个国家是不是都有自己的货币系统？这样一想，大概就清楚每条链发行数字货币的目的就是促使链上的资产顺利流通了。就数字货币而言，对于想做事的人，它充当的是价值流通的一般等价物；对于敛财的人，就是个圈钱的工具
这里写图片描述

2.数字货币的发行模式

在区块链上，数字货币的发布模式是怎样的呢？
区块链发布链上的数字货币有两种主要形式。一种是，以国内的NEO为例，NEO的发行模式是：在系统创建的时候，一次性的在创世区块里，写入1亿个NEO。借助ICO，用户可以直接用人民币认购持有。这种模式比较类似于央行发行人民币。
另一种就是类似于淘金，就是比特币这样的，通过挖矿节点，不断消耗自身的算力，来换取比特币。
由于比特币系统是完全开源的，在这套开源的代码里，包含了挖矿的功能，只要一个人懂代码，就可以把这套代码进行编译部署，加入到比特币网络里面去，把挖矿功能开启，那你的宿主机开始挖矿了。
在比特币系统，通过自身的算法可以动态调整全网节点的挖矿难度，保证每过大约10分钟，比特币网络中，就会有一个节点挖矿成功；一旦有人挖矿成功，比特币系统就会奖励此人一定数量的比特币，这个数量也是通过算法控制的。
具体说来：从2009年开始，头四年挖矿奖励是50个比特币，在接下来的每四年，每个挖矿成功的人会得到25个比特币的奖励，每过四年衰减一半；也就是下一个四年挖矿成功奖励12.5个，再下一个四年奖励6.25个，以此类推。大约到2140年的时候，区块链发行完毕，大约2100万个比特币，这就是比特币的总量，所以不会无限增加下去。
通过上面的阐述，大家应该明白挖矿和比特币的关系了。这个关系就是：挖矿，是比特币系统发行自身数字货币，也就是比特币的必经之路。

3.挖矿原理

挖矿是比特币系统中一个形象化的表述。它背后真正的名称是POW算法，也就是工作量证明算法。工作量证明，是从经济学中来的。1993年，由两个经济学家提出来的一种策略，就是防止对服务滥用或者资源滥用，而采取的一种有效阻断的经济策略。
作量证明（Proof Of Work，简称POW），简单理解就是一份证明，用来确认你做过一定量的工作。监测工作的整个过程通常是极为低效的，而通过对工作的结果进行认证来证明完成了相应的工作量，则是一种非常高效的方式。比如现实生活中的毕业证、驾驶证等等，也是通过检验结果的方式（通过相关的考试）所取得的证明。
比特币通过POW的共识机制来决定记账权，通俗来讲，谁证明了自己工作量最大，谁负责记账。

工作量的大小是通过计算符合某一个标准的比特币区块头的哈希散列值来体现的。下面会有详细介绍。
试图争夺记账权的节点称为挖矿节点，挖矿过程就是求出一个能够填充本区块头的随机值，让区块头的哈希散列值符合某一标准。
挖矿的技术演进：

CPU挖矿 –> GPU挖矿 –> FPGA挖矿 –> ASIC挖矿 –> 大规模集群挖矿

3.1工作量证明函数

比特币系统中使用的工作量证明函是SHA256
SHA是安全散列算法（Secure Hash Algorithm）的缩写，是一个密码散列函数家族。这一组函数是由美国国家安全局（NSA）设计，美国国家标准与技术研究院（NIST）发布的，主要适用于数字签名标准。SHA256就是这个函数家族中的一个，是输出值为256位的哈希算法。到目前为止，还没有出现对SHA256算法的有效攻击。

3.2区块

比特币的区块由区块头及该区块所包含的交易列表组成。区块头的大小为80字节，由4字节的版本号、32字节的上一个区块的散列值、32字节的Merkle Root Hash、4字节的时间缀（当前时间）、4字节的当前难度值、4字节的随机数组成。区块包含的交易列表则附加在区块头后面，其中的第一笔交易是coinbase交易，这是一笔为了让矿工获得奖励及手续费的特殊交易。

block

拥有80字节固定长度的区块头，就是用于比特币工作量证明的输入字符串。因此，为了使区块头能体现区块所包含的所有交易，在区块的构造过程中，需要将该区块要包含的交易列表，通过Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash，并以此作为交易列表的摘要存到区块头中。
merkle

3.3难度值

难度值（difficulty）是矿工们在挖矿时候的重要参考指标，它决定了矿工大约需要经过多少次哈希运算才能产生一个合法的区块。比特币的区块大约每10分钟生成一个，如果要在不同的全网算力条件下，新区块的产生保持都基本这个速率，难度值必须根据全网算力的变化进行调整。简单地说，难度值被设定在无论挖矿能力如何，新区块产生速率都保持在10分钟一个。
难度的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每2016个区块，所有节点都会按统一的公式自动调整难度，这个公式是由最新2016个区块的花费时长与期望时长（期望时长为20160分钟即两周，是按每10分钟一个区块的产生速率计算出的总时长）比较得出的，根据实际时长与期望时长的比值，进行相应调整（或变难或变易）。也就是说，如果区块产生的速率比10分钟快则增加难度，比10分钟慢则降低难度。

这个公式可以总结为如下形式：
新难度值 = 旧难度值 * ( 过去2016个区块花费时长 / 20160 分钟 )
工作量证明需要有一个目标值。比特币工作量证明的目标值（Target）的计算公式如下：
目标值 = 最大目标值 / 难度值

其中最大目标值为一个恒定值：
0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
目标值的大小与难度值成反比。比特币工作量证明的达成就是矿工计算出来的区块哈希值必须小于目标值

3.4工作量证明的过程

我们可以把比特币矿工解这道工作量证明迷题的步骤大致归纳如下：

(1)生成Coinbase交易，并与其他所有准备打包进区块的交易组成交易列表
(2)通过Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash。把Merkle Root Hash及其他相关字段组装成区块头，将区块头的80字节数据（Block Header）作为工作量证明的输入。
(3)不停的变更区块头中的随机数即nonce的数值，并对每次变更后的的区块头做双重SHA256运算（即SHA256(SHA256(Block_Header))），将结果值与当前网络的目标值做对比，如果小于目标值，则解题成功，工作量证明完成