挖礦是場接力賽，史上最通俗版本詳解比特幣挖礦

來源：白話區塊鏈 作者：段揚揚

相信很多人都聽說過比特幣挖礦的說法，不知道有多少人真正理解這個概念。在礦產領域，挖礦的概念其實很容易理解，就是從富含某種礦物質的礦石中提煉出礦物質的過程，而所謂的礦工就是那些頭戴安全頭盔，從事提煉礦物質的工人，他們的形象在我們的腦海中恐怕一點也不陌生。

比特幣世界的挖礦和礦產領域的挖礦還是有很多相似之處的，都是在挖掘有價值的資產，都需要花費一定的代價，都能給挖礦的人帶來一定的收益。礦產領域的挖礦可以得到相對稀缺的礦產資源，同時要付出體力和承擔安全風險的代價；而比特幣的挖礦可以得到比特幣獎勵，同時要付出計算機算力的代價。

礦產領域的礦工是靠大型的機械設備，而比特幣世界裡的礦工是靠專業的計算機設備，伴隨著激烈競爭，比特幣的挖礦設備從最開始的普通計算機，到現在的越來越專業的挖礦設備。

不過比特幣世界的挖礦和礦產領域的挖礦也還是有很多不同的，比特幣世界的挖礦還是發行新比特幣的唯一方式，同時也是在去中心化的網路中保證民主和競爭的重要手段，但是它也不是一點壞處都沒有，比如浪費了大量的計算機算力和電力。至於為什麼會這麼說，看完接下來的文字我想你就會明白了。

文章導讀：

1.什麼是挖礦2.如何證明誰的工作量最多3.什麼是工作量證明（POW）4.挖礦是一場接力賽5.小結

1.  什麼是挖礦

如果還不了解區塊鏈的話，可以參考不懂技術？老司機帶你輕鬆理解區塊鏈知識，比特幣的網路中傳播著大量的交易信息，既然沒有中心化的統一服務，那麼誰來確認這些交易的合法性，以及達成統一的共識呢？我們可以想想中心化服務的支付寶是如何解決這兩個問題的，支付寶其實是買賣雙方的中間擔保，它負責確認每一筆交易是否合法，並且等雙方在線下的交易沒有問題時，才將資金轉給賣方，這就保證了不會出現某一方作弊或者不認賬的問題。

但是比特幣網路中沒有像支付寶這樣的擔保角色，那麼它是如何做到交易的正常進行的呢？其實答案也很簡單，就是由網路中的所有全節點共同決定這份交易是否合法，通過共同維護同一份帳薄來確保交易不會違約和篡改。

這就如同有10個人共同見證了兩個人的交易，並一起確認這筆交易的合法性，同時每個人都維護了一份賬本，這筆交易會記錄到每個人各自維護的同一套賬本上，如果有人要違約或篡改交易數據，他需要同時改掉至少6個人的賬本（少數服從多數）。否則如果只改自己的那一份賬本，別人很容易就看出他的作弊行為，想想掩耳盜鈴的故事應該就能明白了。

說回到比特幣世界的挖礦，挖礦就是比特幣世界裡的礦工確認每一筆交易是否合法（關於如何確認交易合法，可以參考一文看懂比特幣交易的全過程），並將合法的交易寫入到統一的公共帳薄上，同時會獲得一定的新比特幣和交易費的獎勵的過程。獎勵是為了鼓勵更多的礦工加入進來，確保不會出現某一個節點獨斷專權的情況，至於獎勵給哪一個礦工，這就要看誰的工作量更多了，在比特幣的世界裡，是靠共同解決某一個數學問題來證明工作量的多少。

這就如同在競爭激勵的市場經濟中，每個公司都會拼盡全力提供更好的服務和產品才能生存下去，這樣就不太容易產生壟斷和腐敗，而競爭的結果促進了資源的有效配置，社會的整體財富就會不斷增長，最終所有人都會受益，當然受益最大的還是對社會貢獻最大的企業家。

而在計劃經濟下，所有的生產安排和資源分配，都掌握在少數人手中，權力的過度集中必然會導致腐敗，也不利於資源的合理配置，長遠來看，只能是絕大大多數人普遍赤貧，而受益最大的往往是掌握更多資源的人。想想改革開放前後的中國，就能明白計劃經濟和市場經濟的不同效果了。

總結一下，挖礦就是礦工為了得到新發行的比特幣和交易費的獎勵，主動去確認交易是否合法，並將合法的交易寫入共同維護的帳薄中的過程。而獎勵是為了確保礦工有更多的積極性，避免權力集中在少數人手中，同時獎勵也是比特幣發行的唯一方式。

2.  如何證明誰的工作量更多

剛才提到了挖礦的獎勵會給工作量最多的那個人，那麼如何證明誰的工作量最多呢。其實也很簡單，就是大家共同去解同一道數學題，這道數學題需要一定的計算量才能做出來，而率先得到答案的礦工就是最終的勝出者，分享最終的獎勵。

相信大家以前都玩過數獨遊戲（沒玩過的同學請自行搜索遊戲規則），簡單來說就是每一行與每一列必須出現1～9的數字，每個小九宮格內也必須有1～9的數字，並且每個數字在每行、每列和每個小九宮格里出現且僅能出現一次。遊戲剛開始只會給出有限的幾個位置上的數字，其他的位置都需要計算分析才能得出來正確的數字。

由這張遊戲圖可以看出，想要計算分析出每一個位置上的數字，還是需要花費不少力氣的，但是填完之後來驗證是否正確就簡單很多，看一下橫排、豎排以及小九宮格是否沒有重複的數字即可。

而比特幣挖礦的數學題也有這樣的特性，就是計算起來很費事，但是驗證起來卻很簡單。當然了，挖礦的數學題不是求解一道數獨題目，而是計算一道概率題。

先舉一個簡單的擲骰子遊戲，假如說有兩個骰子，如果我說擲出一個骰子之和小於等於12的組合，你肯定會說這還不簡單，隨便擲，任一個組合都肯定小於等於12，一點難度都沒有。好，那假如我把條件設為小於等於8呢，可能就不是每次都能擲出來了，它的概率是0.72；如果我再把條件設小呢，如果是4呢，那麼擲出來的可能性就會進一步減小，概率為0.11。（這裡默認大家都會計算概率，如果不懂的話，只需要知道概率在不斷減小就可以，想想現實的場景，這點應該不難理解）

3.  什麼是工作量證明（POW）

理解了擲骰子遊戲，再來介紹挖礦的工作量證明（POW Proof-Of-Work）演算法就很簡單了，在之前一篇介紹區塊鏈的文章不懂技術？老司機帶你輕鬆理解區塊鏈知識中，曾經提到過區塊的數據結構，當時提到了兩個數據是和挖礦相關的，當時沒有詳細說明，現在就可以拿出來分析了。

這裡的難度目標和Nonce就是和挖礦相關的參數，我們都知道比特幣網路平均每10分鐘產生新的比特幣，也就是說挖礦的平均時間為10分鐘，也許你會問怎麼確保剛好是10分鐘呢。其實答案很簡單，就是控制數學題目的難度，假如某個人的解題速度在不斷提升，那麼我只要提高題目難度，就可以保證他解答的時間大致衡定。

在比特幣世界中，解題速度和計算機的算力有直接的關係，想想今天的一台計算機和20年前的一台計算機去解同一道複雜的數學題，誰先計算出來，我想你肯定也認同是今天的計算機率先求出答案。如果我告訴你，誰先解出答案，就給誰豐厚的獎勵，大家肯定會拚命提高計算機的性能，這也是全球各個礦工在不斷提高算力的原因，因為大家都想快速解出答案，以獲得獎勵。

說回到難度目標和Nonce兩個參數，挖礦的題目是這樣的，每一個區塊頭都有唯一的哈希值，我現在要求你在這個哈希值後面添加一個隨機數字（一般是從零開始遞增），然後再去計算這個結果的哈希值，直到求出來的哈希值小於某一個數字，而這個數字是由一個常數除以上面的難度目標得出來的。

如果你理解了上面的擲骰子遊戲應該能看懂這道題目，其實就是通過不同的數字不斷地計算哈希值，直到答案小於某一個目標數字，這個目標數字越小，難度就越大，跟上面的骰子一樣，結果越小，擲出來的概率就越小。而這個目標數字是由難度目標決定的，難度目標數字越大，除出來得到的目標數字就越小。

Nonce計數器主要是統計總共計算了多少次，就如同擲骰子一樣，雖然可以一把擲出要求的數字，但是多次平均下來，肯定是符合概率統計的，這樣別的礦工就可以根據Nonce數字大小再一次印證這個礦工是否有作弊。

至此你應該已經明白工作量證明演算法的大致邏輯了吧，本質上就是在求一個概率題，誰先算出來就算誰贏，獎勵就歸誰。難度隨著答題的速度會動態調整，而這個難度就是由上面的難度目標值決定，這樣就能保證平均每10分鐘完成一次挖礦。

4.  挖礦是一場接力賽

一旦一個礦工成功挖礦，根據數獨遊戲的邏輯，其他礦工很快就能驗證是否成功，一旦驗證通過就會將區塊放入自己維護的區塊鏈中，並趕緊投入到下一次的挖礦，不帶有一絲一毫的猶豫。如此激烈的競爭伴隨的結果，就是每個礦工都不斷提升自己的計算機性能，結果就是大家的挖礦設備都不斷升級，以至於現在的礦場都是緊挨發電廠，用最先進的專用挖礦晶元。

這裡其實還有一個問題，就是假如說有兩個礦工同時計算出結果怎麼辦？這個時候就會出現分叉，也就是說區塊鏈的末端區塊存在分歧了，其實這隻會臨時出現，並不會長久存在。原因是一旦其他礦工確認了本次挖礦成功，就會投入到下一次挖礦，如果其他礦工又挖礦成功了，這條區塊鏈路就會比另一條區塊鏈路多出一個區塊，區塊鏈中的原則就是只認最長的鏈路，所以另一個挖礦成功的礦工很快就會捨棄之前的區塊，以最長的區塊鏈為準。

而獎勵也是要得到大多數的礦工認可後才會有效，畢竟賬本是所有的人一起維護的，只有大多數人的賬本上認可你的挖礦結果才有效。所以臨時的分叉並不會影響最終的獎勵，其實10分鐘的挖礦時間也是比特幣之父「中本聰」對效率和共識的一種平衡。

看到這裡也許你就會明白，為什麼會說挖礦浪費了很多算力和電力，因為勝出者往往只有一個，其他的礦工就相當於白忙活了，但是他們的計算機已經投入計算了，這筆算力和與之相對應的電力也就此浪費了。

這恐怕就是為了維護民主化的代價，如果讓中心化的節點去統一確認交易，並寫入公共帳薄，那麼很容易滋生出腐敗，這也不符合中本聰一開始的去中心化的設計理念，但是靠挖礦決定輸贏又會導致資源浪費，只能說任何事情都是有成本和代價的，只要收益大於成本，這件事就有做的價值，比特幣現在的價格相比用於計算的電費還是划算得多。

5. 小結

關於比特幣的挖礦到此就全部介紹完了，不知道你有沒有看明白。總結一下就是礦工將一定數量的交易打包到同一個區塊，然後共同去計算同一道數學題來決定以誰的區塊鏈為準，並且決定誰贏得新發行的比特幣和交易費。這種靠競爭來解決交易共識的問題，避免了單一節點壟斷整個網路的風險，讓整個網路形成了良性競爭的局面。

當然隨著全網算力的提高，篡改的難度就越來越大了，因為你要改至少51%的全節點的賬本，這就要求你的算力至少是其他51%全節點的總和，這個難度現在已經大到無法想像的程度，而且即便能做到，為此付出的電費代價也會讓篡改者掂量一下這麼做是否划算。關於比特幣的挖礦到此就全部介紹完了，不知道你有沒有看明白。總結一下就是礦工將一定數量的交易打包到同一個區塊，然後共同去計算同一道數學題來決定以誰的區塊鏈為準，並且決定誰贏得新發行的比特幣和交易費。這種靠競爭來解決交易共識的問題，避免了單一節點壟斷整個網路的風險，讓整個網路形成了良性競爭的局面。

當然隨著全網算力的提高，篡改的難度就越來越大了，因為你要改至少51%的全節點的賬本，這就要求你的算力至少是其他51%全節點的總和，這個難度現在已經大到無法想像的程度，而且即便能做到，為此付出的電費代價也會讓篡改者掂量一下這麼做是否划算。

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