比特币（6）：挖矿

比特币（1）：从一个简单支付场景说起

比特币（2）：私钥、公钥和地址

比特币（3）：交易详解

比特币（4）：网络架构

比特币（5）：区块链数据结构

如果把比特币比喻为「虚拟黄金」的话，那么比特币的挖坑，你好比当年美国淘金热时，成千上万的淘金者去美国西部淘金的事迹。淘金者付出体力，获得金子；挖矿者付出算力，获得比特币。

比特币是一种总量恒定且通货紧缩的电子货币。总量恒定是指比特币总共只有2100万个，到2140后就不会再产生新的比特币。通货紧缩是指新产生的比特币的数量每4年减半，2009年1月比特币诞生的时候每个区块奖励50个比特币，然后到2012年11月减半为25个比特币，在2016年再次减半为12.5个比特币。基于这个公式，比特币挖矿奖励以指数方式递减，直到2140年为0。因此比特币在这点上和各国央行发行的法币是有本质区别的，不用担心政府滥发货币导致个人资产缩水。

比特币挖坑的过程简单说就是：矿工使用挖矿节点尝试解一道数学难题，谁先解出来谁就能获得新产生的比特币和交易费。具体过程如下：

1.整合交易至候选区块

挖矿节点不断监听比特币网络中的交易信息，并将这些交易信息暂存到自己的内存池里，挖矿节点会根据以下信息对这些交易进行排序：

1）优先选择「块龄」更大的交易，「块龄」是指自该交易被记录到区块链为止所经历过的区块数，即这个交易在区块链中的深度。简单说，就是会优先处理那些旧的交易，这样确保即使没有交易费的交易最终也能得到确认，只是要等的时间比较长一些。

2）优先选择相对交易费更高的交易，也就是说出的交易费越高，越有可能越快得到确认。因此如果你想你的交易被尽快确认，应该主动多付些交易费。

挖矿节点根据上述条件排序后生成候选区块，同时会在候选区块里加入一笔特殊的交易-「Coinbase交易」，该交易是候选区块的第一笔交易，它会把新产生的比特币（当前是12.5个）和交易费发送给矿工的地址，是给矿工挖矿的奖励。

2.求解数学难题使候选区块成为合法的新区块（PoW）

构建候选区块完毕后，矿机就要开始使用PoW（Proof of Work，工作量证明）算法来获得一个正确的nonce值，来向全网证明新区块是它挖的。

所谓的PoW算法其实并不复杂，假设你是一个矿机，你会不断的尝试改变nonce值，并计算区块头的哈希值，如果你足够幸运，算出的哈希值正好小于难度值，说明你的这个nonce值是有效的，表示你成功挖到矿了，于是你会迅速的向全网广播，告诉大家这个区块我已经挖到了，你们继续挖下一个吧。但现实更多的情况是，你尝试了成千上亿次后，还是没有猜出有效地nonce值，却收到了其它矿工发来的通知说他已经挖到了，于是你只好放弃之前的所有工作，继续尝试挖下一个区块。上述描述的整个过程大概每10分钟会重复一次，生生不息，永不停止。

看到这里，相信很多人会有以下两个疑问。

第一个疑问是「我难道只能不断尝试不同的nonce值这种暴力破解的笨办法吗？是否存在更好的办法呢？」。我可以明确的告诉你，数学家已经证明没有比暴力破解更好的办法，所以这也是很多人诟病比特币不环保、空耗大量算力的原因，但这也是比特币能够维持一个去中心化共识的根本原因。

第二个疑问是「难度值是如何确定的？」。比特币为了确保平均每10分钟出个新区块，它必须能够动态调整难度值，起初由于全网算力很小，因此难度值也比较小，但随着全网算力越来越大，难度值必须不断动态增大才行。但大家知道比特币是去中心化的，也就是说从来没有一个中心可以动态调整难度值，那比特币是怎么做到的呢？它把难度值的调整交给了每个全节点（什么是全节点可参考「比特币（4）：网络架构」），具体是这样的：每2,016个区块调整一次难度值，难度的调整公式是由最新2,016个区块的真正花费时长与20,160分钟（两周，即这些区块如以10分钟速率所期望花费的时长）比较得出的，如果发现平均时长小于10分钟，说明之前的难度值过小，需要加大难度，反之亦然。

3.区块链分叉

上述描述的基于PoW算法的挖矿过程可能会产生这样一种状况：假设矿工A挖到了新区块，但由于比特币的节点分布在全球各地，网络传输需要一定的时间，所以在他向全网广播的过程中，正好又有一个矿工B挖到了新区块，他也会向全网广播他挖到的新区块，这时就会出现两个新区块互相竞争的情况，这就是区块链分叉。

那么比特币是怎么解决分叉的问题呢？答案是暂时不解决，就让分叉存在着，相信时间最终来解决。也就是说，这时候比特币网络被分成了两派，一派基于A继续挖新区块，另一派基于B继续挖新区块，随着时间的推移，一定会出现其中一个分叉成为主链，另外一个分支慢慢被放弃。注意：这里谁能成为主链，并不是简单的基于谁先挖到算谁的，而是谁后续能获得大多数节点的认可。

这样又会带来两个问题：

问题1：有可能导致已被确认的交易被取消。比如上述例子我们假设A成为了主链，B被抛弃了，那么B挖到的这个新区块，虽然已被确认是有效的，但由于不是主链，最终会被抛弃，也就是说B创建的这个新区块上的交易都失效了。这也是为什么虽然比特币平均每10分钟生成一个区块，但一个交易真正被确认需要60分钟，因为一般认为经过后续6个区块的确认后，基本就很难被取消了。

问题2：有可能受到51%的算力攻击。假设有个人或机构非常强大，他能控制比特币全网51%的算力，就可能随意强行分叉，并让他的链总是成为主链，那么比特币的共识就崩溃了。虽然理论上存在这样的可能性，但由于现在比特币全网的算力过于强大，想要控制51%的算力，几乎不可能，美国总统都做不到。