比特币和挖矿的关系及挖矿原理解析

大家如果要来学习区块链，比特币系统是我们一定会面对的第一个大的知识模块。为什么是这样？在昨天的分享中，我们已经提到了，比特币是区块链的前身实现，区块链是比特币的后期提炼，两者的逻辑关系决定了比特币是个绕不开的家伙；如果大家是初次接触比特币，当你想和别人交流的时候，面对的第一个概念可能就是挖矿。

那么问题来了？挖矿是什么意思？挖矿和比特币是什么关系？挖矿的原理是什么？等等。这些问题在我学习区块链的过程中，困扰过我很长一段时间。下面呢，就让我们来逐一看看。

首先让我们从 比特币和挖矿的关系说起；

在开始这个话题之前，我先提个问题：大家有没有想过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（类比下互联网的根本作用：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，这个事估计只有央行能做；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，是不是就清楚为什么每条链发行数字货币的原因了，其目的就是促使链上资产的顺利流通；

就数字货币而言，对于想做事的人，他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；

下面我们就进入正题：分析下比特币和挖矿的关系；说起二者的关系，需要先说一下在区块链中，数字货币的发布模式；

从笼统的角度来说：区块链发布链上的数字货币有两种主要形式：一种就是像比特币这种的，通过挖矿节点，不断消耗自身的算力，也就是不断挖矿的意思，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，这个算法可以说一下：最开始的头四年，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，共计约2100万个比特币；

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。比特币系统，借助挖矿完成自身数字货币的发行；发行数字货币的过程，就是各个矿工竞争挖矿的过程。在每一个10分钟内，看谁先挖到矿，就奖励一定数量的比特币，这个奖励的过程就是比特币发行的过程；每个挖矿节点，受利益的驱使，也是不断的想办法能更快的挖矿，这也就催生了市面上的各种各样的矿池节点；

刚才我们说了，数字货币的发行有两种主要形式；比特币的是一种；另外一种，我以国内的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；这种模式有点类似于央行发行人民币；而比特币那种发行模式，和淘金很相似；

在刚才的分享中，我们不断提到了挖矿，那比特币中的挖矿到低是怎么一回事呢？

其实挖矿是比特币系统中一个形象化的表达；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；是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；

这个POW在比特币之前就已经被广泛使用了；其中比较有名的就是Google邮箱的反垃圾邮件系统；Google是怎么用的呢？google是这样做的：他要求每一个给google邮件服务器发电邮的对方服务器，必须先完成一定量的计算工作；这个计算可能会耗时对方服务线程2到3秒；2到3秒，如果是一个人在发邮件，是完全可以忍受的；如果对方是个发送垃圾邮件的脚本程序，他是根本无法忍受的，邮件脚本要做的是每秒成千上百封的往外发；

那在比特币系统是怎样用的呢？中本聪在设计实现比特币系统的时候，希望每10分钟完成一次比特币发行，由于比特币网络中有成千上万个节点，那该把币发行给谁呢？按照工作量证明的策略，也就是POW算法的思路，中本聪在比特币系统中，给每一个节点出了一个难题，大家先看下语音下方的这个截图，这是一个区块头的数据结构，大家注意一下，里面有个Nonce字段；中本聪的难题呢就是：在其他字段值不变的前提下，通过不断调节Nonce的值，来对BlockHeader这个结构体值算Hash，要求找到一个Nonce值，使得算出来的hash值小于或大于某个固定值，这个固定值，在BlockHeader结构体中，由Bits来标示；

由于hash算法是一个不可以逆的算法，没法通过具体的hash值，倒推出原文；这样每个节点只能采用穷举的方法，也就是从1开始，2 3 4 5.。.不断的往后试；在这个过程就开始考验各个节点的CPU计算速度了，算的快的，很快就能得到Nonce值，然后他就把这个Nonce值放在结构体里，通过P2P网络广播出去；每个系统节点收到后，发现这个Nonce值是合法的，能满足要求，就认为挖矿成功；对于那些算到半截的节点，发现有人已经算出来了，就放弃本次穷举了；然后开始通过穷举的办法，去寻找下一个区块头的Nonce值；

这样大家是不是就明白了，所谓挖矿，就是计算机通过穷举的办法，不断去找Nonce值、算Hash值的过程；谁先找到，谁就挖成功了。