《區(qū)塊鏈究竟是個(gè)什么系統(tǒng)？）》發(fā)布后，有童鞋問(wèn)：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(wèn)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?zhǔn)欠植际酱鎯?chǔ)，比特幣是基于該存儲(chǔ)的應(yīng)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(yīng)用。

如上圖，mysql是底層存儲(chǔ)，wechat是上層應(yīng)用。

區(qū)塊鏈挖礦的本質(zhì)是啥？

生成一個(gè)區(qū)塊，鏈入?yún)^(qū)塊鏈的過(guò)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(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)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(yīng)用有關(guān)，就像mysql里存什么依賴(lài)于上層應(yīng)用。例如比特幣使用的區(qū)塊鏈，區(qū)塊體里存儲(chǔ)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(chǔ)了和這個(gè)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(gè)常見(jiàn)屬性：

• 前一個(gè)區(qū)塊的哈希值；
• 區(qū)塊生成的時(shí)間戳；
• 隨機(jī)數(shù)；

什么是區(qū)塊鏈（blockchain）？區(qū)塊是怎么鏈起來(lái)的？

struct node{

         node* prev; // 前一個(gè)節(jié)點(diǎn)

         int time; // 時(shí)間戳

         int nonce; // 隨機(jī)數(shù)

         void* node_body; // 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

}node;

鏈表，節(jié)點(diǎn)指針可以作為這個(gè)節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)，下一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)存儲(chǔ)上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的指針，將鏈表鏈起來(lái)。

與之類(lèi)似，區(qū)塊的哈?？梢宰鳛閰^(qū)塊的唯一標(biāo)識(shí)，下一個(gè)區(qū)塊通過(guò)存儲(chǔ)上一個(gè)區(qū)塊的哈希，將區(qū)塊鏈起來(lái)，這就是區(qū)塊鏈。

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

在此之前，先說(shuō)說(shuō)區(qū)塊鏈的三個(gè)特性：

• 歷史生成的區(qū)塊是無(wú)法改變的，即“區(qū)塊鏈只能像寫(xiě)日志一樣追加寫(xiě)，不能像mysql一樣隨機(jī)寫(xiě)”；
• 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(xiàng)工作，才能啟動(dòng)新區(qū)塊生成這項(xiàng)工作”；
• 新區(qū)塊的生成很難，必須滿(mǎn)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(mǎn)足什么條件，才算生成一個(gè)新的區(qū)塊，才算“挖礦”成功呢？

對(duì)最新的區(qū)塊頭進(jìn)行兩次SHA256計(jì)算，得到的256bit哈希結(jié)果，高位48bit必須是0x00000000FFFF，才算挖礦成功。

畫(huà)外音：這句話(huà)很重要，是這篇文章的核心。

為什么大家都說(shuō)“挖礦”很難？

由符合條件的哈希值，倒推出區(qū)塊頭，填入相應(yīng)的“前一塊區(qū)塊哈希值”“時(shí)間”“隨機(jī)數(shù)”不就可以了嗎？

哈希（SHA256是一個(gè)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(duì)應(yīng)的md5值很容易，但由md5值反推出字符串是不可能的；
• 可以認(rèn)為哈希的結(jié)果是完全隨機(jī)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(cè)，這也正是把生成新區(qū)塊叫做“挖礦”的原因。

那應(yīng)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(gè)隨機(jī)屬性nonce，將這個(gè)屬性從0開(kāi)始，遍歷到2^32，來(lái)計(jì)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(gè)區(qū)塊的哈希

for(int i=0 to 2^32){ // 遍歷所有整數(shù)

  int time=now(); // 時(shí)間戳

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

  hashResult= SHA256D(blockHeader); // 計(jì)算哈希值

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

    echo“bingo”; // 挖到礦啦

}

}

看上面的算法，只要程序運(yùn)行時(shí)間足夠久，總能挖到礦呀？

錯(cuò)，如果別人計(jì)算能力強(qiáng)，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(luò)，你本地不是最新的區(qū)塊鏈，你挖到的礦就作廢啦，此時(shí)你要放棄之前所有的工作，先向網(wǎng)絡(luò)同步最新的數(shù)據(jù)，再重新開(kāi)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(wú)效的：每個(gè)區(qū)塊的哈希值都不一樣，每個(gè)時(shí)間戳都不一樣，歷史計(jì)算過(guò)的值無(wú)法通過(guò)“查表”來(lái)節(jié)省時(shí)間；
• scale up是有效的：增強(qiáng)單CPU的計(jì)算能力，使用GPU代替CPU，使用特殊的芯片計(jì)算SHA256D等優(yōu)化都是有效的，但scale up總是有極限的，單機(jī)總會(huì)遇到瓶頸；
• scale out是有效的：?jiǎn)螜C(jī)不行，來(lái)并行，一臺(tái)機(jī)器不行，搞集群，這就是為什么會(huì)有這么多的礦場(chǎng)；

如上圖，這是某高原上的一個(gè)比特幣礦場(chǎng)，廉價(jià)的電力讓無(wú)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(gè)符合條件的區(qū)塊，鏈入?yún)^(qū)塊鏈的過(guò)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(wèn)：

• 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(fèi)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(lái)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。