http://liujinkai.com/2017/08/16/bitcoin-mining-consensus/

很多人知道比特幣，區塊鏈。但是整個網路是怎麼保證這個去中心化的？可能很多人並不瞭解，或者說想了解但是不知道從何入手。其實從挖礦這個角度去理解區塊鏈會更能抓住重點，瞭解了挖礦，你就瞭解了區塊鏈，瞭解了去中心化。

簡介

可以將區塊鏈看作一本記錄所有交易的公開總帳簿（列表），比特幣網路中的每個參與者都把它看作一本所有權的權威記錄。

比特幣沒有中心機構，幾乎所有的完整節點都有一份公共總帳的備份，這份總帳可以被視為認證過的記錄。

至今為止，在主幹區塊鏈上，沒有發生一起成功的攻擊，一次都沒有。

通過創造出新區塊，比特幣以一個確定的但不斷減慢的速率被鑄造出來。大約每十分鐘產生一個新區塊，每一個新區塊都伴隨著一定數量從無到有的全新比特幣。每開採210,000個塊，大約耗時4年，貨幣發行速率降低50%。

在2016年的某個時刻，在第420,000個區塊被“挖掘”出來之後降低到12.5比特幣/區塊。在第13,230,000個區塊（大概在2137年被挖出）之前，新幣的發行速度會以指數形式進行64次“二等分”。到那時每區塊發行比特幣數量變為比特幣的最小貨幣單位——1聰。最終，在經過1,344萬個區塊之後，所有的共20,999,999.9769聰比特幣將全部發行完畢。換句話說，到2140年左右，會存在接近2,100萬比特幣。在那之後，新的區塊不再包含比特幣獎勵，礦工的收益全部來自交易費。

比特幣的去中心化共識由所有網路節點的4種獨立過程相互作用而產生：

• 每個全節點依據綜合標準對每個交易進行獨立驗證
• 通過完成工作量證明演算法的驗算，挖礦節點將交易記錄獨立打包進新區塊，
• 每個節點獨立的對新區塊進行校驗並組裝進區塊鏈
• 每個節點對區塊鏈進行獨立選擇，在工作量證明機制下選擇累計工作量最大的區塊鏈

1、獨立驗證

在收到交易後，每一個節點都會在全網廣播前對這些交易進行校驗，並以接收時的相應順序，為有效的新交易建立一個池（交易池）。

每一個節點在校驗每一筆交易時，都需要對照一個長長的標準列表：

▷交易的語法和資料結構必須正確。
▷輸入與輸出列表都不能為空。
▷交易的位元組大小是小於MAX_BLOCK_SIZE的。
▷每一個輸出值，以及總量，必須在規定值的範圍內 （小於2,100萬個幣，大於0）。
▷沒有雜湊等於0，N等於-1的輸入（coinbase交易不應當被中繼）。
▷nLockTime是小於或等於INT_MAX的。
▷交易的位元組大小是大於或等於100的。
▷交易中的簽名數量應小於簽名運算元量上限。
▷解鎖指令碼（scriptSig）只能夠將數字壓入棧中，並且鎖定指令碼（scriptPubkey）必須要符合isStandard的格式 （該格式將會拒絕非標準交易）。
▷池中或位於主分支區塊中的一個匹配交易必須是存在的。
▷對於每一個輸入，如果引用的輸出存在於池中任何的交易，該交易將被拒絕。
▷對於每一個輸入，在主分支和交易池中尋找引用的輸出交易。如果輸出交易缺少任何一個輸入，該交易將成為一個孤立的交易。如果與其匹配的交易還沒有出現在池中，那麼將被加入到孤立交易池中。
▷對於每一個輸入，如果引用的輸出交易是一個coinbase輸出，該輸入必須至少獲得COINBASE_MATURITY (100)個確認。
▷對於每一個輸入，引用的輸出是必須存在的，並且沒有被花費。
▷使用引用的輸出交易獲得輸入值，並檢查每一個輸入值和總值是否在規定值的範圍內 （小於2100萬個幣，大於0）。
▷如果輸入值的總和小於輸出值的總和，交易將被中止。
▷如果交易費用太低以至於無法進入一個空的區塊，交易將被拒絕。
▷每一個輸入的解鎖指令碼必須依據相應輸出的鎖定指令碼來驗證。

2、將交易記錄獨立打包進新區塊

以下挖礦節點取名為A挖礦節點
挖礦節點時刻監聽著傳播到比特幣網路的新區塊。而這些新加入的區塊對挖礦節點有著特殊的意義。礦工間的競爭以新區塊的傳播而結束，如同宣佈誰是最後的贏家。對於礦工們來說，獲得一個新區塊意味著某個參與者贏了，而他們則輸了這場競爭。然而，一輪競爭的結束也代表著下一輪競爭的開始。

驗證交易後，比特幣節點會將這些交易新增到自己的記憶體池中。記憶體池也稱作交易池，用來暫存尚未被加入到區塊的交易記錄。

2.1 交易塊齡，礦工費和優先順序

A節點需要為記憶體池中的每筆交易分配一個優先順序，並選擇較高優先順序的交易記錄來構建候選區塊。
一個交易想要成為“較高優先順序”，需滿足的條件：優先值大於57,600,000，這個值的生成依賴於3個引數：一個比特幣（即1億聰），年齡為一天（144個區塊），交易的大小為250個位元組：

High Priority > 100,000,000 satoshis * 144 blocks / 250 bytes = 57,600,000

區塊中用來儲存交易的前50K位元組是保留給較高優先順序交易的。節點在填充這50K位元組的時候，會優先考慮這些最高優先順序的交易，不管它們是否包含了礦工費。這種機制使得高優先順序交易即便是零礦工費，也可以優先被處理。

然後，A挖礦節點會選出那些包含最小礦工費的交易，並按照“每千位元組礦工費”進行排序，優先選擇礦工費高的交易來填充剩下的區塊。

如區塊中仍有剩餘空間，A挖礦節點可以選擇那些不含礦工費的交易。有些礦工會竭盡全力將那些不含礦工費的交易整合到區塊中，而其他礦工也許會選擇忽略這些交易。

在區塊被填滿後，記憶體池中的剩餘交易會成為下一個區塊的候選交易。因為這些交易還留在記憶體池中，所以隨著新的區塊被加到鏈上，這些交易輸入時所引用UTXO的深度（即交易“塊齡”）也會隨著變大。由於交易的優先值取決於它交易輸入的“塊齡”，所以這個交易的優先值也就隨之增長了。最後，一個零礦工費交易的優先值就有可能會滿足高優先順序的門檻，被免費地打包進區塊。

UTXO（Unspent Transaction Output） : 每筆交易都有若干交易輸入，也就是資金來源，也都有若干筆交易輸出，也就是資金去向。一般來說，每一筆交易都要花費（spend）一筆輸入，產生一筆輸出，而其所產生的輸出，就是“未花費過的交易輸出”，也就是 UTXO。
塊齡：UTXO的“塊齡”是自該UTXO被記錄到區塊鏈為止所經歷過的區塊數，即這個UTXO在區塊鏈中的深度。

2.2 創幣交易

區塊中的第一筆交易是筆特殊交易，稱為創幣交易或者coinbase交易。這個交易是由挖礦節點構造並用來獎勵礦工們所做的貢獻的。假設此時一個區塊的獎勵是25比特幣，A挖礦的節點會建立“向A的地址支付25.1個比特幣(包含礦工費0.1個比特幣)”這樣一個交易，把生成交易的獎勵傳送到自己的錢包。A挖出區塊獲得的獎勵金額是coinbase獎勵（25個全新的比特幣）和區塊中全部交易礦工費的總和。

3 構造區塊

A節點已經構建了一個候選區塊，那麼就輪到A的礦機對這個新區塊進行“挖掘”，求解工作量證明演算法以使這個區塊有效。比特幣挖礦過程使用的是SHA256雜湊函式。
用最簡單的術語來說，挖礦節點不斷重複進行嘗試，直到它找到的隨機調整數使得產生的雜湊值低於某個特定的目標。雜湊函式的結果無法提前得知，也沒有能得到一個特定雜湊值的模式。舉個例子，你一個人在屋裡打檯球，白球從A點到達B點，但是一個人推門進來看到白球在B點，卻無論如何是不知道如何從A到B的。雜湊函式的這個特性意味著：得到雜湊值的唯一方法是不斷的嘗試，每次隨機修改輸入，直到出現適當的雜湊值。

需要以下引數
• block的版本 version
• 上一個block的hash值: prev_hash
• 需要寫入的交易記錄的hash樹的值: merkle_root
• 更新時間: ntime
• 當前難度: nbits
挖礦的過程就是找到x使得

SHA256(SHA256(version + prev_hash + merkle_root + ntime + nbits + x )) \< TARGET

上式的x的範圍是0~2^32, TARGET可以根據當前難度求出的。

簡單打個比方，想象人們不斷扔一對色子以得到小於一個特定點數的遊戲。第一局，目標是12。只要你不扔出兩個6，你就會贏。然後下一局目標為11。玩家只能扔10或更小的點數才能贏，不過也很簡單。假如幾局之後目標降低為了5。現在有一半機率以上扔出來的色子加起來點數會超過5，因此無效。隨著目標越來越小，要想贏的話，扔色子的次數會指數級的上升。最終當目標為2時（最小可能點數），只有一個人平均扔36次或2%扔的次數中，他才能贏。

3.1 難度的調整

如前所述，目標決定了難度，進而影響求解工作量證明演算法所需要的時間。那麼問題來了：為什麼這個難度值是可調整的？由誰來調整？如何調整？

比特幣的區塊平均每10分鐘生成一個。這就是比特幣的心跳，是貨幣發行速率和交易達成速度的基礎。不僅是在短期內，而是在幾十年內它都必須要保持恆定。在此期間，計算機效能將飛速提升。此外，參與挖礦的人和計算機也會不斷變化。為了能讓新區塊的保持10分鐘一個的產生速率，挖礦的難度必須根據這些變化進行調整。事實上，難度是一個動態的引數，會定期調整以達到每10分鐘一個新區塊的目標。簡單地說，難度被設定在，無論挖礦能力如何，新區塊產生速率都保持在10分鐘一個。

那麼，在一個完全去中心化的網路中，這樣的調整是如何做到的呢？難度的調整是在每個完整節點中獨立自動發生的。每2,016個區塊(2周產生的區塊)中的所有節點都會調整難度。難度的調整公式是由最新2,016個區塊的花費時長與20,160分鐘（兩週，即這些區塊以10分鐘一個速率所期望花費的時長）比較得出的。難度是根據實際時長與期望時長的比值進行相應調整的（或變難或變易）。簡單來說，如果網路發現區塊產生速率比10分鐘要快時會增加難度。如果發現比10分鐘慢時則降低難度。

為了防止難度的變化過快，每個週期的調整幅度必須小於一個因子（值為4）。如果要調整的幅度大於4倍，則按4倍調整。由於在下一個2,016區塊的週期不平衡的情況會繼續存在，所以進一步的難度調整會在下一週期進行。因此平衡雜湊計算能力和難度的巨大差異有可能需要花費幾個2,016區塊週期才會完成。

3.2 成功構建區塊

舉個例子，當前A節點在挖277,316個區塊，A挖礦節點一旦完成計算，立刻將這個區塊發給它的所有相鄰節點。這些節點在接收並驗證這個新區塊後，也會繼續傳播此區塊。當這個新區塊在網路中擴散時，每個節點都會將它作為第277,316個區塊(父區塊為277,315)加到自身節點的區塊鏈副本中。當挖礦節點收到並驗證了這個新區塊後，它們會放棄之前對構建這個相同高度區塊的計算，並立即開始計算區塊鏈中下一個區塊的工作。

3.3 校驗新區塊

比特幣共識機制的第三步是通過網路中的每個節點獨立校驗每個新區塊。當新區塊在網路中傳播時，每一個節點在將它轉發到其節點之前，會進行一系列的測試去驗證它。這確保了只有有效的區塊會在網路中傳播。

每一個節點對每一個新區塊的獨立校驗，確保了礦工無法欺詐。在前面的章節中，我們看到了礦工們如何去記錄一筆交易，以獲得在此區塊中創造的新比特幣和交易費。為什麼礦工不為他們自己記錄一筆交易去獲得數以千計的比特幣？這是因為每一個節點根據相同的規則對區塊進行校驗。一個無效的coinbase交易將使整個區塊無效，這將導致該區塊被拒絕，因此，該交易就不會成為總賬的一部分。

4、區塊鏈的組裝與選擇

比特幣去中心化的共識機制的最後一步是將區塊集合至有最大工作量證明的鏈中。一旦一個節點驗證了一個新的區塊，它將嘗試將新的區塊連線到到現存的區塊鏈，將它們組裝起來。

節點維護三種區塊：

• 第一種是連線到主鏈上的，
• 第二種是從主鏈上產生分支的（備用鏈），
• 第三種是在已知鏈中沒有找到已知父區塊的。

有時候，新區塊所延長的區塊鏈並不是主鏈，這一點我們將在下面“ 區塊鏈分叉”中看到。

如果節點收到了一個有效的區塊，而在現有的區塊鏈中卻未找到它的父區塊，那麼這個區塊被認為是“孤塊”。孤塊會被儲存在孤塊池中，直到它們的父區塊被節點收到。一旦收到了父區塊並且將其連線到現有區塊鏈上，節點就會將孤塊從孤塊池中取出，並且連線到它的父區塊，讓它作為區塊鏈的一部分。當兩個區塊在很短的時間間隔內被挖出來，節點有可能會以相反的順序接收到它們，這個時候孤塊現象就會出現。

選擇了最大難度的區塊鏈後，所有的節點最終在全網範圍內達成共識。隨著更多的工作量證明被新增到鏈中，鏈的暫時性差異最終會得到解決。挖礦節點通過“投票”來選擇它們想要延長的區塊鏈，當它們挖出一個新塊並且延長了一個鏈，新塊本身就代表它們的投票。

4.1 區塊鏈分叉

因為區塊鏈是去中心化的資料結構，所以不同副本之間不能總是保持一致。區塊有可能在不同時間到達不同節點，導致節點有不同的區塊鏈視角。解決的辦法是，每一個節點總是選擇並嘗試延長代表累計了最大工作量證明的區塊鏈，也就是最長的或最大累計難度的鏈。

當有兩個候選區塊同時想要延長最長區塊鏈時，分叉事件就會發生。正常情況下，分叉發生在兩名礦工在較短的時間內，各自都算得了工作量證明解的時候。兩個礦工在各自的候選區塊一發現解，便立即傳播自己的“獲勝”區塊到網路中，先是傳播給鄰近的節點而後傳播到整個網路。每個收到有效區塊的節點都會將其併入並延長區塊鏈。如果該節點在隨後又收到了另一個候選區塊，而這個區塊又擁有同樣父區塊，那麼節點會將這個區塊連線到候選鏈上。其結果是，一些節點收到了一個候選區塊，而另一些節點收到了另一個候選區塊，這時兩個不同版本的區塊鏈就出現了。

分叉之前

分叉開始

我們看到兩個礦工幾乎同時挖到了兩個不同的區塊。為了便於跟蹤這個分叉事件，我們設定有一個被標記為紅色的、來自加拿大的區塊，還有一個被標記為綠色的、來自澳大利亞的區塊。

假設有這樣一種情況，一個在加拿大的礦工發現了“紅色”區塊的工作量證明解，在“藍色”的父區塊上延長了塊鏈。幾乎同一時刻，一個澳大利亞的礦工找到了“綠色”區塊的解，也延長了“藍色”區塊。那麼現在我們就有了兩個區塊：一個是源於加拿大的“紅色”區塊；另一個是源於澳大利亞的“綠色”。這兩個區塊都是有效的，均包含有效的工作量證明解並延長同一個父區塊。這個兩個區塊可能包含了幾乎相同的交易，只是在交易的排序上有些許不同。

分叉導致網路分裂

比特幣網路中鄰近（網路拓撲上的鄰近，而非地理上的）加拿大的節點會首先收到“紅色”區塊，並建立一個最大累計難度的區塊，“紅色”區塊為這個鏈的最後一個區塊（藍色-紅色），同時忽略晚一些到達的“綠色”區塊。相比之下，離澳大利亞更近的節點會判定“綠色”區塊勝出，並以它為最後一個區塊來延長區塊鏈（藍色-綠色），忽略晚幾秒到達的“紅色”區塊。那些首先收到“紅色”區塊的節點，會即刻以這個區塊為父區塊來產生新的候選區塊，並嘗試尋找這個候選區塊的工作量證明解。同樣地，接受“綠色”區塊的節點會以這個區塊為鏈的頂點開始生成新塊，延長這個鏈。

新區塊延長了分支

分叉問題幾乎總是在一個區塊內就被解決了。網路中的一部分算力專注於“紅色”區塊為父區塊，在其之上建立新的區塊；另一部分算力則專注在“綠色”區塊上。即便算力在這兩個陣營中平均分配，也總有一個陣營搶在另一個陣營前發現工作量證明解並將其傳播出去。在這個例子中我們可以打個比方，假如工作在“綠色”區塊上的礦工找到了一個“粉色”區塊延長了區塊鏈(藍色-綠色-粉色)，他們會立刻傳播這個新區塊，整個網路會都會認為這個區塊是有效的，如上圖所示。

重新共識

所有在上一輪選擇“綠色”區塊為勝出者的節點會直接將這條鏈延長一個區塊。然而，那些選擇“紅色”區塊為勝出者的節點現在會看到兩個鏈：“藍色-綠色-粉色”和“藍色-紅色”。如上圖所示，這些節點會根據結果將“藍色-綠色-粉色”這條鏈設定為主鏈，將“藍色-紅色”這條鏈設定為備用鏈。這些節點接納了新的更長的鏈，被迫改變了原有對區塊鏈的觀點，這就叫做鏈的重新共識。因為“紅”區塊做為父區塊已經不在最長鏈上，導致了他們的候選區塊已經成為了“孤塊”，所以現在任何原本想要在“藍色-紅色”鏈上延長區塊鏈的礦工都會停下來。全網將“藍色-綠色-粉色”這條鏈識別為主鏈，“粉色”區塊為這條鏈的最後一個區塊。全部礦工立刻將他們產生的候選區塊的父區塊切換為“粉色”，來延長“藍色-綠色-粉色”這條鏈。

從理論上來說，兩個區塊的分叉是有可能的，這種情況發生在因先前分叉而相互對立起來的礦工，又幾乎同時發現了兩個不同區塊的解。然而，這種情況發生的機率是很低的。單區塊分叉每週都會發生，而雙塊分叉則非常罕見。

比特幣將區塊間隔設計為10分鐘，是在更快速的交易確認和更低的分叉概率間作出的妥協。更短的區塊產生間隔會讓交易清算更快地完成，也會導致更加頻繁地區塊鏈分叉。與之相對地，更長的間隔會減少分叉數量，卻會導致更長的清算時間。