《區塊鏈究竟是個什么系統？）》發布后，有童鞋問：區塊鏈是啥？數據存在哪里？“挖礦”是啥？區塊鏈和比特幣是什么關系？

今天，從技術的角度，聊聊上面這些問題。

上一篇介紹了區塊鏈，那區塊鏈與比特幣是什么關系？

區塊鏈是分布式存儲，比特幣是基于該存儲的應用，其他諸如萊特幣，以太幣都是基于區塊鏈的電子貨幣應用。

如上圖，mysql是底層存儲，wechat是上層應用。

區塊鏈挖礦的本質是啥？

生成一個區塊，鏈入區塊鏈的過程，就是挖礦。

挖礦的人，就是礦工。

什么是區塊（block）？

如上一篇文章介紹，區塊是一塊存儲空間，可以存儲數據。

如上圖，區塊分為區塊頭（header）和區塊體（body）。

區塊體（body）存了些什么？

想存什么存什么，和上層應用有關，就像mysql里存什么依賴于上層應用。例如比特幣使用的區塊鏈，區塊體里存儲的是比特幣交易記錄。

區塊頭（header）存了些什么？

區塊頭里存儲了和這個區塊，以及區塊鏈相關的一些元數據。

如上圖，區塊頭里的三個常見屬性：

• 前一個區塊的哈希值；
• 區塊生成的時間戳；
• 隨機數；

什么是區塊鏈（blockchain）？區塊是怎么鏈起來的？

struct node{

         node* prev; // 前一個節點

         int time; // 時間戳

         int nonce; // 隨機數

         void* node_body; // 存儲數據

}node;

鏈表，節點指針可以作為這個節點的唯一標識，下一個節點通過存儲上一個節點的指針，將鏈表鏈起來。

與之類似，區塊的哈希可以作為區塊的唯一標識，下一個區塊通過存儲上一個區塊的哈希，將區塊鏈起來，這就是區塊鏈。

講完區塊與區塊鏈的概念，接下來講挖礦，也就是區塊的生成。

在此之前，先說說區塊鏈的三個特性：

• 歷史生成的區塊是無法改變的，即“區塊鏈只能像寫日志一樣追加寫，不能像mysql一樣隨機寫”；
• 只能在最新的區塊后面生成新區塊，即“必須先完成同步全網最新的區塊鏈數據這項工作，才能啟動新區塊生成這項工作”；
• 新區塊的生成很難，必須滿足一定條件的新區塊才有效；

假如已經同步了最新的區塊鏈數據，要滿足什么條件，才算生成一個新的區塊，才算“挖礦”成功呢？

對最新的區塊頭進行兩次SHA256計算，得到的256bit哈希結果，高位48bit必須是0x00000000FFFF，才算挖礦成功。

畫外音：這句話很重要，是這篇文章的核心。

為什么大家都說“挖礦”很難？

由符合條件的哈希值，倒推出區塊頭，填入相應的“前一塊區塊哈希值”“時間”“隨機數”不就可以了嗎？

哈希（SHA256是一個哈希算法）是不可逆的。

例如MD5：

md5(string) = md5_result

大家都知道：

• 由字符串，算出對應的md5值很容易，但由md5值反推出字符串是不可能的；
• 可以認為哈希的結果是完全隨機的，要得出前48bit必須是0x00000000FFFF的哈希結果，就如同連續拋48次硬幣，每次都得到我們想要的結果，其概率為(1/2)^48；

可以看到，這就好比在一座山上隨手撿起一塊石頭，正好是一塊金子，我猜測，這也正是把生成新區塊叫做“挖礦”的原因。

那應該怎么找到符合條件的區塊頭呢，從而成功挖到礦呢？

窮舉法。

區塊頭里有個隨機屬性nonce，將這個屬性從0開始，遍歷到2^32，來計算區塊頭的哈希值，如果得到的哈希結果符合條件，則挖礦成功。

其偽代碼如下：

byte[32] = PrevBlockHash; // 上一個區塊的哈希

for(int i=0 to 2^32){ // 遍歷所有整數

  int time=now(); // 時間戳

  blockHeader= new(byte[32], time, i); // 生成區塊頭

  hashResult= SHA256D(blockHeader); // 計算哈希值

  if(hashResult>>208 == 0x00000000FFFF){ //哈希符合預期

    echo“bingo”; // 挖到礦啦

}

}

看上面的算法，只要程序運行時間足夠久，總能挖到礦呀？

錯，如果別人計算能力強，在你挖到礦之前，如果別人先生成了新區塊，廣播到了區塊鏈網絡，你本地不是最新的區塊鏈，你挖到的礦就作廢啦，此時你要放棄之前所有的工作，先向網絡同步最新的數據，再重新開始挖。

有什么方法可以提升挖礦的速度呢？

從架構的角度出發：

• “緩存”是無效的：每個區塊的哈希值都不一樣，每個時間戳都不一樣，歷史計算過的值無法通過“查表”來節省時間；
• scale up是有效的：增強單CPU的計算能力，使用GPU代替CPU，使用特殊的芯片計算SHA256D等優化都是有效的，但scale up總是有極限的，單機總會遇到瓶頸；
• scale out是有效的：單機不行，來并行，一臺機器不行，搞集群，這就是為什么會有這么多的礦場；

如上圖，這是某高原上的一個比特幣礦場，廉價的電力讓無數礦工趨之若鶩。

綜上，區塊鏈里，什么是挖礦？

在最新區塊鏈的數據上，生成一個符合條件的區塊，鏈入區塊鏈的過程，就是挖礦。

關于區塊鏈與挖礦，大家或許還有不少疑問：

• 如何保證數據的一致性？
• 這TM有病吧，挖這玩意有什么意義，不是純浪費電嗎？
• 這和比特幣有什么關系？
• 比特幣怎么保證總量有限？
• …

這些疑惑，未來再撰文和大家解釋。

知其然，知其所以然。

思路比結論更重要。