详解比特币挖矿的原理

比特币是2008年由中本聪提出的货币形式。其是一种由开源的P2P软件产生的电子货币。任何人使用运行有效“挖矿”软件的计算机，都可以“制造”出比特币，并对自己制造出来的比特币即时拥有所有权。比特币被设置为到2140年只能生产出2100万单位，它的信用并不由某个人或者组织来支持，而是基于自然算法，属于自然信用货币。

比特币挖矿是一个通过计算竞争记账权，从而获得比特币奖励和交易手续费的过程。它同时解决了两个核心问题：如何发行新货币和如何保证交易记录的真实可靠（即去中心化的信任）。

比特币挖矿就像是一场“全球性的数字货币彩票”。彩票点就是比特币网络。彩票机就是矿机，每期彩票：每10分钟出一个新区块，彩票号码是那个满足条件的哈希值，买彩票就是消耗的电力和矿机损耗，中奖就是挖出区块，获得比特币奖励。你的算力越高，如同买的“彩票”越多，中奖的概率就越大，但每次开奖都只有一个幸运儿。早期用个人电脑的中央处理器挖矿，经过GPU挖矿（显卡挖矿，显卡更适合进行大规模并行计算，效率远高于CPU）、FPGA挖矿（一种过渡方案）、ASIC矿机（专用集成电路矿机）。这是目前的主流，是为专门进行SHA-256计算而设计的芯片，性能远超通用设备，但除了挖矿别无他用。

比特币挖矿过程中的关键步骤：

1、交易打包

用户发起比特币交易后，交易会被广播到比特币网络中。矿工的工作之一就是收集这些尚未被确认的交易，并将它们打包成一个候选区块。

2、构建区块头

矿工会构建一个叫做“区块头”的数据结构，它包含了以下几项关键信息：

上一个区块的哈希值：指向上一个区块，形成链条，这是区块链不可篡改的基础。

Merkle根：将本区块内所有交易通过哈希算法计算出的一个唯一、简洁的指纹。任何交易的改动都会导致Merkle根彻底改变。

时间戳：区块产生的大致时间。

难度目标：当前网络计算难度的目标值。

随机数（Nonce）：这是一个可以任意更改的数字，是矿工求解的关键。

3、工作量证明（PoW）

矿工的核心工作开始了。他们需要调整区块头里的随机数（Nonce），并对整个区块头进行SHA-256哈希运算，会产生一个64位的十六进制数（类似一长串乱码）。

竞赛规则是：计算出的哈希值必须小于当前网络设定的“难度目标”。

由于哈希函数的特性（输入微小变化输出天差地别、结果不可预测），矿工没有任何取巧的方法，只能靠矿机每秒进行亿万次的暴力计算（不断改变Nonce值），去碰撞出这个符合要求的哈希值。

这个过程就是“工作量证明”（Proof-of-Work），它证明了矿工的确 消耗了大量的电力能源和算力来完成这项工作。

4、验证与广播

当一个矿工幸运地找到了一个满足条件的Nonce和哈希值后，他会立即将这个新区块广播给整个网络。网络中的其他节点收到后，会超级轻松地验证这个答案是否正确（只需用给出的数据哈希一次，看结果是否满足要求）。验证过程极其简单，但找到答案却极其困难。

5、获得奖励

一旦新区块被其他节点验证通过，它就会被添加到区块链的末尾，形成最长链的一部分。找到这个区块的矿工就会获得上述的比特币奖励。

这就是比特币挖矿的基本原理，其底层技术是区块链。区块链就与比特币产生了关联。