《區(qū)塊鏈究竟是個什么系統(tǒng)？）》發(fā)布后，有童鞋問：區(qū)塊鏈是啥？數(shù)據(jù)存在哪里？“挖礦”是啥？區(qū)塊鏈和比特幣是什么關(guān)系？

今天，從技術(shù)的角度，聊聊上面這些問題。

上一篇介紹了區(qū)塊鏈，那區(qū)塊鏈與比特幣是什么關(guān)系？

區(qū)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(qū)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(qū)塊鏈挖礦的本質(zhì)是啥？

生成一個區(qū)塊，鏈入?yún)^(qū)塊鏈的過程，就是挖礦。

挖礦的人，就是礦工。

什么是區(qū)塊（block）？

如上一篇文章介紹，區(qū)塊是一塊存儲空間，可以存儲數(shù)據(jù)。

如上圖，區(qū)塊分為區(qū)塊頭（header）和區(qū)塊體（body）。

區(qū)塊體（body）存了些什么？

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

區(qū)塊頭（header）存了些什么？

區(qū)塊頭里存儲了和這個區(qū)塊，以及區(qū)塊鏈相關(guān)的一些元數(shù)據(jù)。

如上圖，區(qū)塊頭里的三個常見屬性：

• 前一個區(qū)塊的哈希值；
• 區(qū)塊生成的時間戳；
• 隨機數(shù)；

什么是區(qū)塊鏈（blockchain）？區(qū)塊是怎么鏈起來的？

struct node{

         node* prev; // 前一個節(jié)點

         int time; // 時間戳

         int nonce; // 隨機數(shù)

         void* node_body; // 存儲數(shù)據(jù)

}node;

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

與之類似，區(qū)塊的哈?？梢宰鳛閰^(qū)塊的唯一標識，下一個區(qū)塊通過存儲上一個區(qū)塊的哈希，將區(qū)塊鏈起來，這就是區(qū)塊鏈。

講完區(qū)塊與區(qū)塊鏈的概念，接下來講挖礦，也就是區(qū)塊的生成。

在此之前，先說說區(qū)塊鏈的三個特性：

• 歷史生成的區(qū)塊是無法改變的，即“區(qū)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(qū)塊后面生成新區(qū)塊，即“必須先完成同步全網(wǎng)最新的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)這項工作，才能啟動新區(qū)塊生成這項工作”；
• 新區(qū)塊的生成很難，必須滿足一定條件的新區(qū)塊才有效；

假如已經(jīng)同步了最新的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，要滿足什么條件，才算生成一個新的區(qū)塊，才算“挖礦”成功呢？

對最新的區(qū)塊頭進行兩次SHA256計算，得到的256bit哈希結(jié)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(qū)塊頭，填入相應的“前一塊區(qū)塊哈希值”“時間”“隨機數(shù)”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(jié)果是完全隨機的，要得出前48bit必須是0x00000000FFFF的哈希結(jié)果，就如同連續(xù)拋48次硬幣，每次都得到我們想要的結(jié)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(qū)塊叫做“挖礦”的原因。

那應該怎么找到符合條件的區(qū)塊頭呢，從而成功挖到礦呢？

窮舉法。

區(qū)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(qū)塊頭的哈希值，如果得到的哈希結(jié)果符合條件，則挖礦成功。

其偽代碼如下：

byte[32] = PrevBlockHash; // 上一個區(qū)塊的哈希

for(int i=0 to 2^32){ // 遍歷所有整數(shù)

  int time=now(); // 時間戳

  blockHeader= new(byte[32], time, i); // 生成區(qū)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(qū)塊，廣播到了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，你本地不是最新的區(qū)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(wǎng)絡同步最新的數(shù)據(jù)，再重新開始挖。

有什么方法可以提升挖礦的速度呢？

從架構(gòu)的角度出發(fā)：

• “緩存”是無效的：每個區(qū)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(jié)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(yōu)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(shù)礦工趨之若鶩。

綜上，區(qū)塊鏈里，什么是挖礦？

在最新區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)上，生成一個符合條件的區(qū)塊，鏈入?yún)^(qū)塊鏈的過程，就是挖礦。

關(guān)于區(qū)塊鏈與挖礦，大家或許還有不少疑問：

• 如何保證數(shù)據(jù)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(guān)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(jié)論更重要。