1分鐘瞭解“挖礦”的本質
上一篇《1分鐘瞭解區塊鏈的本質》，介紹了什麼是區塊鏈，區塊鏈是一個沒有管理員，每個節點都擁有全部資料，高可用的分散式儲存系統。
文章的留言裡，不少朋友會用比特幣來解釋區塊鏈，那區塊鏈與比特幣是什麼關係？
答：區塊鏈是分散式儲存，比特幣是基於該儲存的應用，其他諸如萊特幣，以太幣都是基於區塊鏈的電子貨幣應用。理論上，使用上層應用來解釋底層儲存是不合適的。
如上圖，mysql是底層儲存，wechat是上層應用，用wechat來解釋mysql是不合適的。
今天，從技術的角度出發，聊聊什麼是區塊鏈裡的“挖礦”。
先說結論，區塊鏈挖礦的本質是啥？
答：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。
什麼是區塊（
答：如《1分鐘瞭解區塊鏈的本質》裡所述，區塊是一塊儲存空間，可以儲存資料。
如上圖，區塊分為區塊頭（header）和區塊體（body）。
區塊體（body）存了些什麼？
答：想存什麼存什麼，和上層應用有關，就像mysql裡存什麼依賴於上層應用。例如比特幣使用的區塊鏈，區塊體裡儲存的是比特幣交易記錄。
區塊頭（header）存了些什麼？
答：區塊頭裡儲存了和這個區塊，以及區塊鏈相關的一些元資料。
如上圖，區塊頭裡的三個常見屬性：
前一個區塊的雜湊值
區塊生成的時間戳
隨機數
什麼是區塊鏈（blockchain）？
區塊是怎麼鏈起來的？
答：
struct node{
node* prev; // 前一個節點
int time; // 時間戳
int nonce; // 隨機數
void* node_body; // 儲存資料
}node;
連結串列，節點指標可以作為這個節點的唯一標識，下一個節點通過儲存上一個節點的指標，將連結串列鏈起來。
與之類似，區塊的雜湊可以作為區塊的唯一標識，下一個區塊通過儲存上一個區塊的雜湊，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“區塊鏈只能像寫日誌一樣追加寫，不能像mysql一樣隨機寫”
只能在最新的區塊後面生成新區塊，即“必須先完成同步全網最新的區塊鏈資料這項工作，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資料，要滿足什麼條件，才算生成一個新的區塊，才算“挖礦”成功呢？
答：對最新的區塊頭進行兩次SHA256計算，得到的256bit雜湊結果，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。
為什麼大家都說“挖礦”很難？
由符合條件的雜湊值，倒推出區塊頭，填入相應的“前一塊區塊雜湊值”“時間”“隨機數”不就可以了嗎？
答：額，這，，，雜湊（SHA256是一個雜湊演算法）是不可逆的。例如MD5
md5(string) = md5_result
大家都知道：
由字串，算出對應的md5值很容易，但由md5值反推出字串是不可能的
可以認為雜湊的結果是完全隨機的，要得出前48bit必須是0x00000000FFFF的雜湊結果，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。
那應該怎麼找到符合條件的區塊頭呢，從而成功挖到礦呢？
答：窮舉法。
區塊頭裡有個隨機屬性nonce，將這個屬性從0開始，遍歷到2^32，來計算區塊頭的雜湊值，如果得到的雜湊結果符合條件，則挖礦成功。
其虛擬碼如下：
byte[32] = PrevBlockHash; // 上一個區塊的雜湊
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); // 計算雜湊值
if(hashResult>>208 == 0x00000000FFFF){ //雜湊符合預期
echo“bingo”; // 挖到礦啦
}
}
看上面的演算法，只要程式執行時間足夠久，總能挖到礦呀？
答：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，廣播到了區塊鏈網路，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，先向網路同步最新的資料，再重新開始挖。
有什麼方法可以提升挖礦的速度呢？
答：從架構的角度出發
“快取”是無效的：每個區塊的雜湊值都不一樣，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，使用特殊的晶片計算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，來並行，一臺機器不行，搞叢集，這就是為什麼會有這麼多的礦場
如上圖，這是西藏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，區塊鏈裡，什麼是挖礦？
答：在最新區塊鏈的資料上，生成一個符合條件的區塊，鏈入區塊鏈的過程，就是挖礦。
關於區塊鏈與挖礦，大家或許還有不少疑問：
如何保證資料的一致性
這TM有病吧，挖這玩意有什麼意義，不是純浪費電嗎
這和比特幣有什麼關係
比特幣怎麼保證總量有限
…
這些疑惑，下一個一分鐘，再和大家解釋。
希望這很短的一分鐘，大家瞭解了挖礦的本質。
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