比特币挖矿简介

本文主要介绍比特币挖矿的基本算法，想要了解什么是比特币的同学可以先看这里：什么是比特币
比特币是底层基于区块链的应用，比特币挖矿是将最近的比特币交易数据打包成一个新的区块，添加到区块链中。

挖矿的任务

• 保证已有比特比交易的正常进行
• 产生新的比特币

挖矿的收益来源

• 区块中所包含的每笔交易的交易费
  每笔交易的交易费是不确定的，由交易者自己决定，交易费用高的交易被挖矿者打包成区块的速度更快，从而交易也能更快的确认

• 生成一个新的区块奖励比特币
  目前生成一个新的区块的奖励12.5的比特币，随着比特币的数量增加，奖励会越来越少。按照现在的挖矿速度，截至2140年挖矿不会产生新的比特币奖励，所有比特币将会挖完（2100万）。这时挖矿收入只能来源比特币交易中的交易费。

比特币区块的结构

在介绍挖矿算法之前先看看比特币区块的结构， 一个完整的区块结构如下，其中主要的数据是区块头和区块中所包含的比特币交易信息

大小	字段	描述
4字节	区块大小	用字节表示的该字段之后的区块大小
80字节	区块头	组成区块头的几个字段
1-9 （可变整数）	交易计数器	交易的数量
可变的	交易	记录在区块里的交易信息

我们主要看区块头的具体结构

大小	字段	描述
4字节	版本	版本号，用于跟踪软件/协议的更新
32字节	父区块哈希值	引用区块链中父区块的哈希值
32字节	Merkle根	该区块中交易的merkle树根的哈希值
4字节	时间戳	该区块产生的近似时间（精确到秒的Unix时间戳）
4字节	难度目标	该区块工作量证明算法的难度目标（difficulty)
4字节	Nonce	用于工作量证明算法的计数器

区块头大小是80个字节，其中包含区块链中上一个区块的hash值，通过hash值可以在链上查找到上一个区块。所以区块链的结构类似单向链表的结构，通过任意一个区块都可以向上查找到比特币的第一个区块（创世区块）。

区块链结构示例（来自《区块链原理，设计与应用》）

在比特币区块链中，第517552号区块头部如下：

区块链数据（来自 blockchain.info)

生成新区块

挖矿是将80字节的区块头进行SHA256计算，运算结果是一个256位长度的值。然后再通过与当前难度值比较大小来判断当前区块是否合法，计算公式如下：
   HASH256（HASH256（区块头））< pdiff / Diffculty（bdiff)

如果不满足上面的条件，则改变区块头中的随机值（Nonce)，然后再重复上面的计算。公式中pdiff 称为矿池难度，是一个256位长度的常量，表示如下：
    0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
前30位是0，后续所有位都是1。

区块头的hash计算所得的值必须介于 0 和 pdiff 之间，而且在这个区间随机取值。Difficult 的取值比 pdiff 小，而且 Difficult 越小，满足条件的Nonce值越难找到，挖矿所需要的时间越长。这里面的 Difficulty 是一个介于 0~ 2^32的值，这个值通常成为 bdiff。

• 当Difficulty取最小值 1 时，挖矿难度最小，此时区块头的hash值小于pdiff 即可满足条件
• 当Difficulty取最大值 2^32 时，挖矿难度最大，区块头的hash值必须要小于以下值：0x00000000FFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000

由于Hash算法的特性，上面的公式不能逆向推到。只能通过暴力搜索 Nonce值，使区块头的hash值符合上面的公式。根据当前矿机的算力，平均每十分钟可以算出一个有效的Noce值，生成一个区块。不过这个值不是确定的，可能是几秒钟一个，也有可能是一个小时一个。

参考：
比特币块链和挖矿原理： http://www.8btc.com/bitcoin_block_chain
比特币区块结构解析：https://blog.csdn.net/u013137970/article/details/69891985
区块链技术指南：https://yeasy.gitbooks.io/blockchain_guide/content/