什麼是「挖礦」？比特幣「挖礦」原理解析
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1.什麼是「挖礦」？
我們在系列文章中的《 比特幣的「區塊」中藏有什麼秘密：區塊鏈區塊結構解析》介紹了什麼是「區塊鏈」以及「區塊」的底層數據結構解析；
本文主要圍繞著網路常用切口「挖礦」來介紹 下「挖礦」的本質和底層原理；
接前言，強調下「區塊鏈」的三個核心特定：
1）凡是被各節點認證過的歷史生成區塊，是絕不會被篡改的；因為區塊鏈的只有append（追加）操作，沒有隨機update（隨機寫）的操作。
2）新生成的區塊，只能鏈接「掛載」在當前鏈條的末端『；
這也就意味著：每個節點在開始運行（或者是運行中）創建新區快這項工作的時候，凡是有新區塊被確認增加到了區塊鏈上，那麼，當前節點就需要停止手頭正在進行的「創建」新區塊的工作，轉而需要先將最新的區塊鏈數據同步到本地，再繼續重新開始試圖「創建」新區塊。
3）新區塊的創建，是一個極其困難複雜的工作；是一個需要符合特定計算規則，計算結果需要滿足特別目標值（這個值很難滿足）時，新區快才算初步創建成功；
「挖礦」的幾個特點
如果非要一句話簡單概括的話：在最新區塊鏈的數據上，生成一個符合條件的區塊，鏈入區塊鏈的過程，就是挖礦。
「挖礦」具有以下幾個特點：
1）「挖礦」的過程 就是運行特定的計算公式，試圖計算出符合特定規則的Hash值的一個過程；
2）「挖礦」的本質是：生成最新區塊，掛在到區塊鏈的末端；其本質也可以理解為：爭奪賬本的記賬權。
3）「挖礦」為什麼叫做「挖礦」，因為「生成新區快」這個操作成功，會獲得大量的獎勵；
4）有「挖礦」，自然有「礦工」，礦工指的是：所有運行（以比特幣為例）比特幣客戶端，鏈接比特幣網路的終端節點，比如CPU,GPU,礦機，礦池組等等
5）為什麼大家對「挖礦」趨之若鶩？
因為能獲得超出成本的大量的獎勵；獎勵包含兩部分：
第一部分是：創建新區塊成功，系統獎賞當前礦工的「獎勵金」（又叫coinBase交易金），這部分佔主要比例；
第二部分是：所生成的新區塊里打包的所有交易的交易傭金（交易費用），這部分佔一小部分；
6）接第五點，比特幣系統為何要獎勵礦工「coinBase交易金」?
對維持「系統」網路穩定，對確認比特幣交易，對參與比特幣認證的節點的獎勵；因為挖礦同時還保護著比特幣系統的安全，防止欺詐交易，避免「雙重支付」；這一點很重要！
PS：
中本聰在設計中規定：
1）新區塊的產生速度是大約每10分鐘一個（這裡面用的大約，不是精確的十分鐘），每一個新區塊的產生都會伴隨著一定數量的新幣發行。每開採210,000個新區塊（中本聰規定的&大約耗時4年），新幣發行速率降低50%，初始獎勵每區塊50BTC，每隔4年獎勵減半，目前獎勵為12.5BTC。
2）十分鐘是一個均值，生產速率每產生2016個新區塊系統會自動調節一次，調節途徑通過調整diffculty參數；
---轉譯自《BitCoin Wiki # Mining》
2.比特幣「挖礦」的平均時間為何規定成「10分鐘」？
接上，為什麼要規定每十分鐘挖出一個礦呢？有什麼具體的考量嗎？
首先說明：10 分鐘是系統找到一個有效的交易鏈塊所需要的平均時間（這個時間不是固定的）；
基於運氣這個時間實際上會稍長或稍短，比如突然間網路中，算力急速增加，那麼生成新區塊的時間就會變短；這個平均時長"力圖逼近10分鐘"，出塊速度會在系統每生成2016個塊之後自動調整的，通過調整難度係數difficulty（前序文章中有講過）
大致參考源代碼：
static const int64 nTargetTimespan = 14 * 24 * 60 * 60;//目標時間窗口長度：兩周
static const int64 nTargetSpacing = 10 * 60;// block頻率，每10分鐘一塊
static const int64 nInterval = nTargetTimespan / nTargetSpacing;// 每兩周的產量2016，也是調節周期
10分鐘--->1分鐘會如何？
1）間隔太短，易導致較多孤塊的出現，不安全，不利於交易確認，還浪費資源；
原因是：每一個「礦工」都需要時刻確認自己是否在主鏈上，那麼就需要礦工之間時刻交流，交流受網速影響（在網路情況不良時，間隔時間越短，這個網路不良的影響對最終的結果影響越大），當有「礦工」生成新的區塊，發現它們不在主鏈上，也就是孤塊，只能丟棄，造成浪費。
2）如果出塊間隔太短，側面的也就說明，出塊的難度太低；
當出塊的頻率變高的時候，塊與塊之間的碰撞頻率也就變高，碰撞次數越高，主鏈被fork（分叉）的概率就越大，fork越多，鏈結構就會變成樹結構。而且每當出現分叉的時候，系統需要花費性能去選出bestChain（bestChain被當做Main鏈，被各節點認可）；
PS：fork即為分叉，分叉分為軟分叉和硬分叉，關於分叉和bestChain的選擇相關知識點會在本系列的其他文章中講述。
3.「挖礦」的底層原理是什麼？
通俗地講，「挖礦」即生成新區塊的本質是：做一系列的哈希運算，當運算得到的哈希值符合目標規則，即為挖礦成功（其實，就是尋找符合條件的Nonce參數的過程，下文會詳細解釋，此處記住這個概念即可）。
也就是比較倆數值的大小，target目標值（固定）與哈希計算值（礦工每次計算算出來的值），這兩個值的計算公式是什麼呢？
如下圖，為區塊頭（header）結構，結合著圖示，介紹下挖礦的原理。
這裡直介紹兩個關鍵信息：
1）難度係數：difficulty參數，顧名思義用來調節生成區塊的難度的。該值決定了target的大小，
公式為：target=2**（256-Difficulty）
中本聰希望生成每個區塊需要耗時10分鐘，但是實際情況往往多變，生成區塊（算出target）的時間有可能遠小於十分鐘（difficulty偏下）或者遠大於十分鐘（difficulty偏大）；
那麼在每2016【2016=14（day）*24（hour）*60（min）/10(min）】個區塊生成完畢之後，系統要自動調節difficulty參數大小；
調整公式為：
New Difficulty= Old Difficulty*（最新的2016區塊實際耗時/ 20160 minutes）.即：最新2016個區塊花費時長與20160分鐘（20160分鐘是2016個區塊期望的產出時間）比較所得。
2）隨機數：Nonce參數，也可以理解為POW工作量證明的計數器；
該欄位是最重要的一個欄位，因為其實「挖礦」的過程就是尋找符合條件的Nonce值的過程；我們知道「挖礦」是做一些列的哈希計算的過程，該過程為：對區塊頭和nonce進行哈希運算【sha256(str(header)+str(nonce))】；如果本次所得的哈希值
PS：
1）Nonce叫「隨機數」的原因是因為原則上每次計算當前Nonce值可以隨機產生。但是，實際情況下：什麼方式最容易計算出目標值呢？窮舉法；所以每次計算Nonce從0開始；
2）為什麼說「挖礦」這麼難呢？
target值符合特定的規則：十六進位的以連續0開頭，且連續的0越多越能符合命中規則；
假如當前target值為連續20個0開頭的十六進位數字；
舉個例子：
好比一個不透明的口袋裡有倆形狀一模一樣的乒乓球，一個紅色球，一個藍色球；每次抓鬮抓到藍色則標記位0，紅色標記位1，那麼如果礦工想要「挖礦」成功，就意味著：至少連續20次抓鬮均抓到籃球。是不是瞬間覺得很難呢？
3）接上例子，如果連續2016個區塊的生成時間小於期望的20160分鐘，系統會自動調節Difficulty係數，比如調節Difficulty係數之後，target變成了連續21個0開頭的十六進位數字，此時，礦工想要挖礦成功，則需要連續21次抓到籃球，生成新區塊的時間就會相對變長。是不是更難了呢？
如果連續2016個區塊的生成時間大於期望的20160分鐘，則反向調低難度係數。
以上既是：比特幣「挖礦」的原理解析，僅為個人觀點，歡迎討論指正~
本期【簡億區塊鏈】時間到此結束，敬請期待下期~
下期預告：
主題：《「比特幣」交易打包過程與「區塊鏈」的軟硬「分叉」》
預計發布時間：2018年3月23日（周五） 8點見
【彩蛋來啦】
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