挖矿知识入门手册

前言：

在数字货币的生态体系里，挖矿无疑是最耳熟能详的一个词语，工作量证明、交易打包、区块广播……各类专业术语眼花缭乱，在大概了解整个过程后也能讲出个一二。然而在实际情况中，大部分人都不知道这些名词之间的作用关系究竟是什么，其中也不乏一些在数字货币领域里沉浮多年的资深人士。

我在初步入门学习时发现，很多细节上的痛点问题并没有一个连贯且易懂的答案，知识点都是片状且孤立的，让人们对于这个重要的过程迟迟不能有一个站在高处的系统认知。所以我将自己曾经有过的疑问总结成几篇文章，从初学者视角用自问自答的方式，深入浅出地为大家答题解惑。

数字货币是一种高度技术化的投资产品，只有深刻了解它的机制才能对它的前景做好最准确的判断。

挖矿知识手册入门

第一部分：底层知识储备

在这个部分里，我将介绍挖矿相关的基本底层知识，其中将会设计到部分数学与编程知识，但各位也无需担心，我会用最浅显的语言来解释，务必让专业的知识变得不再有门槛而难以理解。

在了解必备的原理后，下一篇文章里我将结合本章内容，从应用层面进行实操分析。

Q1：什么是挖矿？为什么拥有高算力在挖矿过程中如此重要？

A: 首先用大家都知道的一句话笼统概括：挖矿的过程就是产生比特币的过程。

矿工们需要一同竞争去算出一个数字，当算出的数字小于系统给出的目标值时，即可宣布挖矿成功，进而获得系统奖励的比特币（目前是12.5个）。

在这个过程里，矿工只能用暴力破解（试数）的方式“碰瓷”答案，除了大量反复的机械计算以外没有任何捷径可走，这就是为什么算力如此重要的原因：你的计算能力越强（算力越大），你就能比别人有更高的优先级算出正确答案——在这个领域里拼的是人海战术，三个臭皮匠远比一个诸葛亮更吃香。

这也就是矿场、矿池之所以会出现的原因。

Q2:什么是矿机、矿场、矿池和节点？它们之间的关系是什么?

A: 矿机是专门为了解题而出现的机器，根据出现的先后顺序分别为CPU矿机，GPU矿机，ASIC矿机。

最初一批人使用CPU（内存）进行计算挖矿，想要大量汇聚算力意味着需要很多CPU同时进行。但在此过程中他们发觉利用CPU进行计算简直是大材小用，有很多计算单元根本用不上，杀鸡焉用宰牛刀？何况成本还很贵。

此时人们发现GPU（显卡）能处理的并行计算正好能满足挖矿需求，进而纷纷转向利用GPU挖矿，大大减少了成本，提高了性价比。但在越来越多的矿工入场后，人们已经不能满足于GPU的运算速度了，进而出现了大批的ASIC矿机，即专用集成线路矿机。这种矿机根据不同的币种算法有着不同的型号，专挖各类数字货币。

ASIC矿机的问世瞬间让算力世界不再公平。越来越多的资本入场，开始购置大批的矿机进行集中挖矿。他们将这些矿机安排在电费地租便宜的深山中，没日没夜地同时进行计算，此时便形成了矿场。

然而矿场也随着市场的扩大而逐渐不占优势。由于各方算力势力的崛起，矿场单打独斗，越来越难挖到属于自己的块，出块的不确定性很难保证收益能够负担起成本。

于是各个矿场决定抱团取暖，他们将算力汇聚在一起，最终成为了矿池。一方面出块的概率大大提高，可以分得一杯羹；另一方面即是没有挖到块，矿池也会给他们固定的保底收益，就是出块后获得的比特币大头会被矿池拿走——但是虽然是别人吃肉，但毕竟是自己实力跟不上，能够喝口汤就已经不错了不是吗？

所以一句话概括，矿机汇聚成矿场，矿场汇聚成矿池，涓滴成河，川流入海。

那么现在的数字货币网络里，节点已经不再再是个人的设备了，任何一个矿场或者矿池，都可以看作成一个大的节点，并且后者已经远远超过了个人设备节点，成为了比特币网络的主力军。

Q3: 什么是工作量证明（proof-of-work）？它和上一个回答里提到的目标值是什么关系？

A: 首先我们先要了解一下什么是哈希计算（hash）。

在比特币挖矿里主要使用SHA-256算法。我们无需具体了解这个算法的具体机制，我们只需要知道，一个数字A通过SHA-256的计算后，将会变成一个长度为256位的数字B，此时B就叫做A的哈希值。

不同的数字的哈希值绝不会一样，并且这个过程不可逆，即A可以通过SHA-256得到B，而如果仅知道B，绝不能倒推出数字A。所以即使当系统给出一个值C（已被哈希计算过），没有任何人能够倒推出这个值在哈希前是一个什么数字，只能一个一个数字进行尝试计算。当某个人算出一个哈希后的数字比系统给出的值C小，即可认证计算成功。

此时，矿工为了寻求答案而进行的计算尝试的过程，我们称之为工作量证明（proof-of-work）。

综上所述：

• 系统给出的值C即是目标值；

• 矿工每计算一次，都是工作量证明（proof-of-work）的具体体现。所以工作量证明（proof-of-work）即是证明矿工们为了得到答案确实进行了计算；
• 再具体一些，我们设定一个参数nonce，作为工作量证明的计数器。nonce初始值为0，每进行一次计算数值加1。

Q4: 系统如何自动判断是否需要调整挖矿难度？又是如何调节才能将出块速度维稳在每十分钟一个？

A: 我们都知道，系统将比特币出块的速度设定为1个/10分钟。但这个并不是绝对固定的，因为出块的速度跟全网各个节点的算力大小有关。

从下图https://btc.com/stats/diff网站数据我们可以发现：

实际的出块速度并不是精准的10分钟，而是在一定的值域内呈小范围的波动。当某些节点具有较强的算力，它便能更轻松地解开数学题，也就是更快地挖到块。此时系统将会根据一定周期内的出块平均时间，进行相应的难度（difficulty）调整：

如果平均值小于10分钟，便会增加解题难度，即将目标值设置的更小；当目标值减小时，找到一个小于它的哈希值会越来越难（例如，扔骰子扔到小于3点总会比扔到小于6点的概率更小）。反之亦然。

在这里，系统将每14天进行一次难度评估计算，并作出难度调整。

其中：

设d=14天=60*24*14=20160分钟

在这14天内，将会挖出块的数量：p=6*24*14=2016个

那么出块平均时间 avg t1 =p/d

当avg t1 小于上一个周期的avg t0时便会增加难度，相反亦同理。

我们需要注意一点的是，挖矿的速度与比特币交易的数量与金额规模无关，仅跟全网的算力大小有关。而算力的大小又跟电费、当前币价有关，因为若是币价过于低，cover不住挖矿的成本，便会有大量的矿工离场。此时系统的算力便会降低，挖矿的难度也会相应调小。但由于系统每14天才会进行一次调整，所以比特币的挖矿难度会有些许的滞后性。

10分钟的出块速度也是当初中本聪一个权衡，太快的话会导致加大分叉概率（关于分叉与孤块，后面的文章会详细介绍）；而太慢的话会使交易确认变得过于漫长。