比特币的挖矿原理（比特币是如何产生的？）

很多朋友都不知道比特币是如何产生，今天就讲一下比特币是如何产生的。两篇文章，讲述了比特币和区块链的原理。他们分别是：

《什么是比特币》

《什么是区块链》

但是始终没有说明比特币是如何产生的？我们如何获得？在上一篇文章《什么是区块链》结尾我也遗留下了一些问题和思考。

这篇文章，我们继续从底层原理出发，来揭开这些神秘的面纱（如果你没看过之前的文章，强烈建议你先看下）。

比特币是什么呢？

比特币是一种积分。

积分的作用是干嘛呢？大家知道：

在论坛上，发帖回帖可以获得积分，积分高的用户就会有特殊权限和荣誉，积分还可能可以对换实物礼品，积分是用来鼓励用户发帖回帖，增加论坛的活跃度的。

在游戏里，经验值就是积分，打怪可以获得经验值，经验值可以用来获得增加游戏角色等级和对换装备，让角色变得更加厉害，角色越厉害就越好玩。

同理，在比特币网络里，挖矿就可以获得比特币。比特币可以用来在比特币网络里转账或购买产品和服务。

不一样的是，在论坛和游戏里，论坛管理员或游戏运营商（也是管理员）可以给用户积分或扣除用户积分，管理员拥有至高无上的权限。

在比特币网络里，由于是去中心化的，没有任何管理员，应该获得多少积分是通过比特币软件来定义的，同时因为比特币软件是开源的，任何一个人都可以阅读其代码，了解比特币运行原理和奖励规则。

比特币就是比特币网络里的积分，用来奖励挖矿的。

那么，什么是挖矿呢？

挖矿是用来寻找（生产）下一个区块的过程。

在上一篇文章《什么是区块链》，我提到，区块链是通过Hash算法，把所有的区块数据“链接”在一起，形成了区块链。如下图：

?

什么是Hash算法可以阅读上一篇文章：《什么是区块链》

但是Hash算法有个特点，就是计算的速度非常快，输入原始值可以瞬间得到结果，所以，只要我知道上一个区块数据，我就可以瞬间的计算出上个区块的Hash结果，生成下一个区块。

但是这样的话，产生下个区块的成本是非常低的，通过非常低的成本就可以获得积分（比特币）奖励，那么，这个积分明显是没有价值的。

中本聪发明比特币的时候，他的愿景是：比特币可以当做货币来使用。那么，比特币就必须拥有货币的特点：

获得比特币的成本很高，不能随随便便就可以获得。

发行的速度有限，不能瞬间就产生很多比特币。

和黄金一样，总量恒定，越开采剩余的量越少。

可以模拟现实生活的转账交易（本章节不讨论）。

那怎么办呢？于是，中本聪就想出了一个办法（或叫定义了一个规范）：

1、生产第一个区块的时候，奖励50个比特币，之后每四年减半。

所以2009年区块链网络运行至今，已经进行2次减半(2012年一次，2016年一次)，现在每个区块的奖励是12.5个比特币。由于每4年减半，预计将在2140年达到极限，总比特币数量约为2100万个（总量恒定）。

2、大约10分钟能够生产出一个区块，生产区块的过程不能太快。

每个小时生产6个区块，每个区块奖励12.5个比特币。目前每天能够生产1800个比特币（ 12.5 x 6 x 24 = 1800 ）。

第一条规则通过程序代码规范就可以了，但是第二条规范如何实现呢？

如果知道上个区块的数据，通过Hash算法可以瞬间计算出第二块的HasH值，那么矿工电脑接收到交易通知，他就可以瞬间生产出下个区块，获得12.5个比特币奖励，根本不会受到10分钟的限制。

为了解决这个问题，中本聪对区块数据格式要求如下：

这个区块数据，比上一个章节讲的区块数据多了 难度系数 和 nonce值。

难度系数：是要求下个区块计算出的Hash值前面有几个0，比如说难度系数是10，那么要求计算的Hash值前面必须有10个0。

但是，在上篇文章《什么是区块链》里，我们知道：固定的数据，通过Hash算法计算出来的Hash值一定是固定的，也就说原始值和Hash值是一一对应的关系。

那么，怎么会有Hash结果前面有几个0这样的要求呢？

那就需要nonce值了。

最终，区块的Hash值应该是这样计算的：上一个区块的数据 + 本区块nonce值，再去进行Hash计算，如果得到的Hash结果和上个区块要求的难度系数相同，那么表示链接成功。也就是生成了一个新的合法的区块。

上个区块的数据虽然是固定的，但是本区块的nonce值你可以随便填写呀。只要填写对了，那就说明你挖到了一个区块了。

如何填写nonce值，才能正确呢？

唯一的办法就是一个一个的尝试。

举个例子：假设上一个区块的数据是：海哥 这两个字，要求的难度系数是1，那么可以让计算机这样去尝试nonce值：

第一次尝试：nonce值为1，海哥1的Hash值等于： c280c187c153782b542b2ae7110d71aab33d8c2d732f8aaaa06564f03b4a6b52 不正确

第二次尝试：nonce值为2，海哥2的Hash值等于：

7dd6b1f6790b61819192056a6c753822e01b75d435a3e6b86ee31bddc92294e2 不正确

第三次尝试：nonce值为3，海哥3 的Hash值等于：

2b27abb39ca314f3dcc1bee13c35df0f49bfa0b8fa55b5a02d2079387b191c90 不正确

...

第十九次尝试：nonce值为19，海哥19 的Hash值等于：

f17c24e8bcbdf8dd5ca658142b7ed70c0fcabb6c817aa96fb2006a7d2d5e9b5c 不正确

第二十次尝试：nonce值为20，海哥20 的Hash值等于：

0def78fd007911beac1a7cfa9b2b47381875e687fe7c1978b988f3e36df9d3b9 正确：难度系数是1，hash值前面有1个0了。

如果上个区块的值是海哥这两个字，要得到难度系数为1的nonce值，计算20次可以得到。

实际上：以上Hash结果是16进制（0~F），所以理论平均16次会计算出难度为1的nonce值。

所以：难度系数1的时候，概率为 1/16(十六分之一)。

因此，难度系数为2（两个0相连）的概率为 1/16 x 1/16 = 1/256。也就说：当难度系数为2的时候，计算的次数大约是 16 x 16。

同理：

难度系数为3的时候，计算的次数大概是： 16 x 16 x 16 = 4096。

难度系数为4的时候，计算的次数大概是： 16 x 16 x 16 x 16 = 65536。

...

难度系数为10的时候，计算的次数为：1099511627776（一万亿次）。

难度系数为20的时候，计算的次数为：1千万亿亿次。

备注：在比特币里，难度系数不是0-64的值，而是通过一个公式计算得到的值，值越小难度系数越大，但是文章能够让大家理解难度系数和nonce的关系，可以认为难度系数为1就表示前面有一个0，难度系数为2就表示前面有两个0。

同时注意：在比特币网络里，难度值是不断变化的，它通过监测区块链的生成速度，不断的修改难度系数的值，难度值在每2015个区块调整一次。

如果区块平均生成时间小于10分钟，说明比特币网络的计算能力在增加，难度值也会增加，如果区块平均生产的时间大于10分钟，说明计算能力在减少，难度值也会降低。因此，难度值随着全网算力的增减进行动态调整，从而保证大约每10分钟能产生一个区块。

备注：本来，中本聪计划约每两周（14天）调整一次难度系数，每个10分钟生产一个区块，一个小时生产6个区块，一天生产144区块，14天 = 2016个区块，但是由于比特币代码的一个bug，造成实际周期为2015个区块。

当难度系数为20的时候，如果你的计算机每秒钟可以计算1000万次（现在的办公用笔记本，计算速度大概为每秒1万~100万次），那么要计算出下一个区块的nonce值，需要7610350076（76亿）年。

所以，如果你想用办公笔记本挖矿，还是洗洗睡吧，真正的挖矿应该是这样的。

（鄂尔多斯的比特币挖矿设施，图片来之网络）

当某个节点（矿工）成功找到新区块后，他会立刻向区块链网络广播该区块，告诉其他节点，我已经挖到新的区块了，其他节点在收到广播消息后，会对新区块进行验证，如果有效，就把新区块添加到本节点区块链的尾部。然后开始下一轮的计算...

就这样，比特币通过其每年减半、难度系数动态调整、nonce计算等一些列的逻辑组合，从而保证了：

1、获得比特币的成本很高，不能随随便便就可以获得。

2、发行的速度有限，不能瞬间就产生很多比特币。

3、和黄金金矿一样，总量恒定，越开采剩余的量越少。

等这些货币特征，从而让比特币产生了价值。

但是，还有很多问题没有解决，比如：

1、我挖到新的区块了，这个区块的奖励如何证明是我的？

2、我挖到新的区块了，我向全网广播的时候，如何保证我的劳动成果不被窃取？

3、我挖到新的区块了，别人同时也挖到了怎么办？

下一篇文章，我们继续。

如果你持续关注我，你应该可以阅读我后续的系列文章，

基础系列（读过初中就能看懂）：

《什么是比特币》

《什么是区块链》

《比特币如何产生的及其挖矿原理》

《区块链的去中心化交易原理》

《区块链的不可修改原理》

《区块链的支付原理》

《区块链的智能合约》

《如何开始使用比特币》

高级系列（读过高中就能看懂）：

《区块链的hash算法原理》

《区块链的非对称加密算法原理1》

《区块链的非对称加密算法原理2》

《区块链的数字签名原理1》

《区块链的数字签名原理2》

开发系列（是程序员就能看懂）：

《以太坊Ethereum简介》

《Solidity面向对象编程1》

《Solidity面向对象编程2》

《Solidity面向对象编程3》

《Solidity面向对象编程4》

《Solidity面向对象编程5》

《使用truffle、web3js和OpenZepplin从零开始创建自己的加密币1》

《使用truffle、web3js和OpenZepplin从零开始创建自己的加密币2》

《使用truffle、web3js和OpenZepplin从零开始创建自己的加密币3》

《使用truffle、web3js和OpenZepplin从零开始创建自己的加密币4》

《使用truffle、web3js和OpenZepplin从零开始创建自己的加密币5》

《使用基于以太坊和IPFS的Embark框架开发DApp1》

《使用基于以太坊和IPFS的Embark框架开发DApp2》

《使用基于以太坊和IPFS的Embark框架开发DApp3》

《使用基于以太坊和IPFS的Embark框架开发DApp4》

《使用基于以太坊和IPFS的Embark框架开发DApp5》

区块链落地系列：

《区块链的应用场景》

《比特币的危机》

《区块链如何与传统项目相结合》

《区块链的现状和未来》

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编译者/作者：胖胖子的无赖

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