区块链 | 比特币与区块链原理&什么是矿机挖矿

前言

本章内容主要有：什么是比特币、比特币的起源与发展、区块及区块链的定义，矿机挖矿的原理。

什么是比特币

比特币(BitCoin)是一种P2P形式的虚拟货币。2008年，一个名叫中本聪(Satoshi Nakamoto)的人发明了比特币，他在网络上发表了《比特币:一种点对点的电子现金系统》，即《白皮书》。点对点的传输意味着一个去中心化的电子记账系统的建立。

去中心化的电子记账系统

和传统的记账方式不同（传统记账由银行来进行操作，可信度基于国家信用），去中心化则不需要依靠传统银行机构，每个人的账单记录都是公开的。

举例来说，有A,B,C,D四个人进行交易，每次交易内容都会告诉其它三个人。

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区块&&区块链

A,B,C,D四个人的账单信息进行打包，就形成了一个区块(block)。一般来说一个区块的大小大约为1M，可以存放4000条左右的记录。

一个区块打包完成之后，把它接到前一个区块上，并且之后打包的区块接在目前这个区块之后，这样形成的一条链我们称为区块链(Block Chain)。

为何我需要记账？

记录和自己的资金不相干的账单，占用了自己的电脑资源，我们为什么要记账？

记账奖励
记账是由于记账可以得到奖励。
（1）手续费
举例来说，A支付10个比特币给B，实际上A支付的要比10个比特币多一点，多出的一点就是给记账人的手续费。（比特币交易的手续费比传统交易的手续费低）
（2）打包奖励
从比特币系统运行开始，在第一个四年里，每打一次包奖励50个比特币，在第二个四年里，每打一个包奖励25个比特币，在第三个四年里，每打一个包奖励12.5个比特币…依次类推，每过一个四年，打包奖励少一半。

比特币总量

中本聪在最初提出比特币时，规定每十分钟打一个包。我们可以计算出比特币总量如下：

50 * 6 * 24 * 365 * 4 * (1/2 + 1/4 +1/8 + …(1/2)ⁿ)=2100万

账单以谁为准？

因为记账奖励丰厚，一群人抢着去进行打包，但由于网络延迟，可能每个人收到账单不同，这种时候该以谁为准？

工作量证明

每一个参与打包的用户都要去做一个很难的数学题，如果你可以做出这道数学题，就可以去进行打包了。这个数学题难到没有哪一个人可以通过脑子去计算出来，而必须通过一个一个数去尝试，直到你去把这个数尝试出来了，就有机会去获得奖励，这个过程叫做挖矿。

挖矿原理

哈希函数

我们可以通过运算，把一串字符串转化成为一个摘要的形式。 并且正着算容易，反过来算很难（即可以通过字符串得到摘要，但不能通过摘要获得字符串）
以SHA256函数举例：

sha256("abcd") = 1010...(256位二进制数)
正算很容易，反算很难。如果给出一串256位的二进制数，求原来的输入，就只能通过一个一个尝试的方式去寻找。

具体原理

区块由头部和账单信息组成。

假设现在有很多人想要去接块，每个人都有一分记录好的账单。
在接块的时候必须要算一个数学题：
1.字符串：前块的头部+账单信息+时间戳+…+随机数
2.Hash=sha256(sha256(字符串))
3.计算得到的Hash值需要符合要求

比如说要求前n位为0:即 Hash=000…11011（前n位为0即可满足条件，获得接块的权利）

4.符合要求之后进行打包
把计算得到的Hash值作为新块的头部，账单作为新块的信息，即可打包成一个新块从而获得奖励。

怎么去使得字符串满足要求？
我们来看字符串的组成，字符串：前块的头部+账单信息+时间戳+…+随机数

我们可以改变的只有随机数，二进制从0开始一直尝试。 每个人的计算难度是不一样的，但是平均而言，挖到矿的可能性大小与计算能力相关联，谁的计算能力强，谁就有更大的可能去挖到这个矿。

挖矿难度设置

挖矿难度由要求Hash值的前n位来设置。
前n位为指定数，比如前n个都是0，概率为 (1/2)ⁿ 。
中本聪当初设置在每十分钟出一个块，如何保证在10分钟内能出一个块呢？则需要调整n的大小即挖矿难度。

例：假设世界上有10⁴台矿机，每台矿机的运算速度为14T/s(即每秒可以进行1.4 * 10¹³次哈希运算)
10min计算次数：1.4 * 10¹³ * 10⁴ * 600 = 8 * 10¹⁹ ,大概相当于 2⁶⁶ 。在这种情况下，就会把难度n设置为66。