1分鐘了解“挖礦”的本質
上一篇《1分鐘了解區塊鏈的本質》，介紹了什麽是區塊鏈，區塊鏈是一個沒有管理員，每個節點都擁有全部數據，高可用的分布式存儲系統。
文章的留言裏，不少朋友會用比特幣來解釋區塊鏈，那區塊鏈與比特幣是什麽關系？
答：區塊鏈是分布式存儲，比特幣是基於該存儲的應用，其他諸如萊特幣，以太幣都是基於區塊鏈的電子貨幣應用。理論上，使用上層應用來解釋底層存儲是不合適的。
如上圖，mysql是底層存儲，wechat是上層應用，用wechat來解釋mysql是不合適的。
今天，從技術的角度出發，聊聊什麽是區塊鏈裏的“挖礦”。
先說結論，區塊鏈挖礦的本質是啥？
答：生成一個區塊，鏈入區塊鏈的過程，就是挖礦。挖礦的人，就是礦工。
什麽是區塊（block）？
答：如《1分鐘了解區塊鏈的本質》裏所述，區塊是一塊存儲空間，可以存儲數據。
如上圖，區塊分為區塊頭（header）和區塊體（body）。
區塊體（body）存了些什麽？
答：想存什麽存什麽，和上層應用有關，就像mysql裏存什麽依賴於上層應用。例如比特幣使用的區塊鏈，區塊體裏存儲的是比特幣交易記錄。
區塊頭（header）存了些什麽？
答：區塊頭裏存儲了和這個區塊，以及區塊鏈相關的一些元數據。
如上圖，區塊頭裏的三個常見屬性：
-
前一個區塊的哈希值
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區塊生成的時間戳
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隨機數
什麽是區塊鏈（blockchain）？
區塊是怎麽鏈起來的？
答：
struct node{
node* prev; // 前一個節點
int time; // 時間戳
int nonce; // 隨機數
void* node_body; // 存儲數據
}node;
鏈表，節點指針可以作為這個節點的唯一標識，下一個節點通過存儲上一個節點的指針，將鏈表鏈起來。
與之類似，區塊的哈希可以作為區塊的唯一標識，下一個區塊通過存儲上一個區塊的哈希，將區塊鏈起來，這就是區塊鏈。
講完區塊與區塊鏈的概念，接下來講挖礦，也就是區塊的生成。
在此之前，先說說區塊鏈的三個特性：
-
歷史生成的區塊是無法改變的
，即“區塊鏈只能像寫日誌一樣追加寫，不能像mysql一樣隨機寫” -
只能在最新的區塊後面生成新區塊，即“必須先完成同步全網最新的區塊鏈數據這項工作，才能啟動新區塊生成這項工作”
-
新區塊的生成很難，必須滿足一定條件的新區塊才有效
假如已經同步了最新的區塊鏈數據，要滿足什麽條件，才算生成一個新的區塊，才算“挖礦”成功呢？
答：對最新的區塊頭進行兩次SHA256計算，得到的256bit哈希結果，高位48bit必須是0x00000000FFFF，才算挖礦成功。
畫外音：這句話很重要，是這篇文章的核心。
為什麽大家都說“挖礦”很難？
由符合條件的哈希值，倒推出區塊頭，填入相應的“前一塊區塊哈希值”“時間”“隨機數”不就可以了嗎？
答：額，這，，，哈希（SHA256是一個哈希算法）是不可逆的。例如MD5
md5(string) = md5_result
大家都知道：
-
由字符串，算出對應的md5值很容易，但由md5值反推出字符串是不可能的
-
可以認為哈希的結果是完全隨機的，要得出前48bit必須是0x00000000FFFF的哈希結果，就如同連續拋48次硬幣，每次都得到我們想要的結果，其概率為(1/2)^48
可以看到，這就好比在一座山上隨手撿起一塊石頭，正好是一塊金子，我猜測，這也正是把生成新區塊叫做“挖礦”的原因。
那應該怎麽找到符合條件的區塊頭呢，從而成功挖到礦呢？
答：窮舉法。
區塊頭裏有個隨機屬性nonce，將這個屬性從0開始，遍歷到2^32，來計算區塊頭的哈希值，如果得到的哈希結果符合條件，則挖礦成功。
其偽代碼如下：
byte[32] = PrevBlockHash; // 上一個區塊的哈希
for(int i=0 to 2^32){ // 遍歷所有整數
int time=now(); // 時間戳
blockHeader= new(byte[32], time, i); // 生成區塊頭
hashResult= SHA256D(blockHeader); // 計算哈希值
if(hashResult>>208 == 0x00000000FFFF){ //哈希符合預期
echo“bingo”; // 挖到礦啦
}
}
看上面的算法，只要程序運行時間足夠久，總能挖到礦呀？
答：錯，如果別人計算能力強，在你挖到礦之前，如果別人先生成了新區塊，廣播到了區塊鏈網絡，你本地不是最新的區塊鏈，你挖到的礦就作廢啦，此時你要放棄之前所有的工作，先向網絡同步最新的數據，再重新開始挖。
有什麽方法可以提升挖礦的速度呢？
答：從架構的角度出發
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“緩存”是無效的：每個區塊的哈希值都不一樣，每個時間戳都不一樣，歷史計算過的值無法通過“查表”來節省時間
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scale up是有效的：增強單CPU的計算能力，使用GPU代替CPU，使用特殊的芯片計算SHA256D等優化都是有效的，但scale up總是有極限的，單機總會遇到瓶頸
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scale out是有效的：單機不行，來並行，一臺機器不行，搞集群，這就是為什麽會有這麽多的礦場
如上圖，這是西藏高原上的一個比特幣礦場，廉價的電力讓無數礦工趨之若鶩。
綜上，區塊鏈裏，什麽是挖礦？
答：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。
關於區塊鏈與挖礦，大家或許還有不少疑問：
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如何保證數據的一致性
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這TM有病吧，挖這玩意有什麽意義，不是純浪費電嗎
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這和比特幣有什麽關系
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比特幣怎麽保證總量有限
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…
這些疑惑，下一個一分鐘，再和大家解釋。
希望這很短的一分鐘，大家了解了挖礦的本質。
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