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《架构师之路：架构设计中的100个知识点》

70.比特币-挖矿

图片《区块链究竟是个什么系统？（第69讲）》发布后，有童鞋问：区块是啥？数据存在哪里？“挖矿”是啥？区块链和比特币是什么关系？

今天，从技术的角度，聊聊上面这些问题。

上一篇介绍了区块链，那区块链与比特币是什么关系？

区块链是分布式存储，比特币是基于该存储的应用，其他诸如莱特币，以太币都是基于区块链的电子货币应用。

图片如上图，mysql是底层存储，wechat是上层应用。

区块链挖矿的本质是啥？

生成一个区块，链入区块链的过程，就是挖矿。

挖矿的人，就是矿工。

什么是区块（block）？

如上一篇文章介绍，区块是一块存储空间，可以存储数据。

图片如上图，区块分为区块头（header）和区块体（body）。

区块体（body）存了些什么？

想存什么存什么，和上层应用有关，就像mysql里存什么依赖于上层应用。例如比特币使用的区块链，区块体里存储的是比特币交易记录。

区块头（header）存了些什么？

区块头里存储了和这个区块，以及区块链相关的一些元数据。

图片如上图，区块头里的三个常见属性：

1. 前一个区块的哈希值；

2. 区块生成的时间戳；

3. 随机数；

什么是区块链（blockchain）？区块是怎么链起来的？

struct node{

node* prev; // 前一个节点

int time; // 时间戳

int nonce; // 随机数

void* node_body; // 存储数据

}node;

图片链表，节点指针可以作为这个节点的唯一标识，下一个节点通过存储上一个节点的指针，将链表链起来。

图片与之类似，区块的哈希可以作为区块的唯一标识，下一个区块通过存储上一个区块的哈希，将区块链起来，这就是区块链。

讲完区块与区块链的概念，接下来讲挖矿，也就是区块的生成。

在此之前，先说说区块链的三个特性：

1. 历史生成的区块是无法改变的，即“区块链只能像写日志一样追加写，不能像mysql一样随机写”；

2. 只能在最新的区块后面生成新区块，即“必须先完成同步全网最新的区块链数据这项工作，才能启动新区块生成这项工作”；

3. 新区块的生成很难，必须满足一定条件的新区块才有效；

假如已经同步了最新的区块链数据，要满足什么条件，才算生成一个新的区块，才算“挖矿”成功呢？

对最新的区块头进行两次SHA256计算，得到的256bit哈希结果，高位48bit必须是0x00000000FFFF，才算挖矿成功。

画外音：这句话很重要，是这篇文章的核心。

为什么大家都说“挖矿”很难？

由符合条件的哈希值，倒推出区块头，填入相应的“前一块区块哈希值”“时间”“随机数”不就可以了吗？

哈希（SHA256是一个哈希算法）是不可逆的。

例如MD5：

md5(string) = md5_result

大家都知道：

1. 由字符串，算出对应的md5值很容易，但由md5值反推出字符串是不可能的；

2. 可以认为哈希的结果是完全随机的，要得出前48bit必须是0x00000000FFFF的哈希结果，就如同连续抛48次硬币，每次都得到我们想要的结果，其概率为(1/2)^48；

可以看到，这就好比在一座山上随手捡起一块石头，正好是一块金子，我猜测，这也正是把生成新区块叫做“挖矿”的原因。

那应该怎么找到符合条件的区块头呢，从而成功挖到矿呢？

穷举法。

区块头里有个随机属性nonce，将这个属性从0开始，遍历到2^32，来计算区块头的哈希值，如果得到的哈希结果符合条件，则挖矿成功。

其伪代码如下：

byte[32] = PrevBlockHash; // 上一个区块的哈希

for(int i=0 to 2^32){ // 遍历所有整数

int time=now(); // 时间戳

blockHeader= new(byte[32], time, i); // 生成区块头

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

if(hashResult>>208 == 0x00000000FFFF){ //哈希符合预期

echo“bingo”; // 挖到矿啦

}

}

看上面的算法，只要程序运行时间足够久，总能挖到矿呀？

错，如果别人计算能力强，在你挖到矿之前，如果别人先生成了新区块，广播到了区块链网络，你本地不是最新的区块链，你挖到的矿就作废啦，此时你要放弃之前所有的工作，先向网络同步最新的数据，再重新开始挖。

有什么方法可以提升挖矿的速度呢？

从架构的角度出发：

1. “缓存”是无效的：每个区块的哈希值都不一样，每个时间戳都不一样，历史计算过的值无法通过“查表”来节省时间；

2. scale up是有效的：增强单CPU的计算能力，使用GPU代替CPU，使用特殊的芯片计算SHA256D等优化都是有效的，但scale up总是有极限的，单机总会遇到瓶颈；

3. scale out是有效的：单机不行，来并行，一台机器不行，搞集群，这就是为什么会有这么多的矿场；

图片如上图，这是某高原上的一个比特币矿场，廉价的电力让无数矿工趋之若鹜。

综上，区块链里，什么是挖矿？

在最新区块链的数据上，生成一个符合条件的区块，链入区块链的过程，就是挖矿。

关于区块链与挖矿，大家或许还有不少疑问：

1. 如何保证数据的一致性？

2. 这TM有病吧，挖这玩意有什么意义，不是纯浪费电吗？

3. 这和比特币有什么关系？

4. 比特币怎么保证总量有限？

5. …

这些疑惑，未来再撰文和大家解释。

知其然，知其所以然。

思路比结论更重要。

==全文完==

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