挖礦知識入門手冊

前言：

在數字貨幣的生態體系里，挖礦無疑是最耳熟能詳的一個詞語，工作量證明、交易打包、區塊廣播……各類專業術語眼花繚亂，在大概了解整個過程后也能講出個一二。然而在實際情況中，大部分人都不知道這些名詞之間的作用關系究竟是什么，其中也不乏一些在數字貨幣領域里沉浮多年的資深人士。

我在初步入門學習時發現，很多細節上的痛點問題并沒有一個連貫且易懂的答案，知識點都是片狀且孤立的，讓人們對于這個重要的過程遲遲不能有一個站在高處的系統認知。所以我將自己曾經有過的疑問總結成幾篇文章，從初學者視角用自問自答的方式，深入淺出地為大家答題解惑。

數字貨幣是一種高度技術化的投資產品，只有深刻了解它的機制才能對它的前景做好最準確的判斷。

挖礦知識手冊入門

第一部分：底層知識儲備

在這個部分里，我將介紹挖礦相關的基本底層知識，其中將會設計到部分數學與編程知識，但各位也無需擔心，我會用最淺顯的語言來解釋，務必讓專業的知識變得不再有門檻而難以理解。

在了解必備的原理后，下一篇文章里我將結合本章內容，從應用層面進行實操分析。

Q1：什么是挖礦？為什么擁有高算力在挖礦過程中如此重要？

A: 首先用大家都知道的一句話籠統概括：挖礦的過程就是產生比特幣的過程。

礦工們需要一同競爭去算出一個數字，當算出的數字小于系統給出的目標值時，即可宣布挖礦成功，進而獲得系統獎勵的比特幣（目前是12.5個）。

在這個過程里，礦工只能用暴力破解（試數）的方式“碰瓷”答案，除了大量反復的機械計算以外沒有任何捷徑可走，這就是為什么算力如此重要的原因：你的計算能力越強（算力越大），你就能比別人有更高的優先級算出正確答案——在這個領域里拼的是人海戰術，三個臭皮匠遠比一個諸葛亮更吃香。

這也就是礦場、礦池之所以會出現的原因。

Q2:什么是礦機、礦場、礦池和節點？它們之間的關系是什么?

A: 礦機是專門為了解題而出現的機器，根據出現的先后順序分別為CPU礦機，GPU礦機，ASIC礦機。

最初一批人使用CPU（內存）進行計算挖礦，想要大量匯聚算力意味著需要很多CPU同時進行。但在此過程中他們發覺利用CPU進行計算簡直是大材小用，有很多計算單元根本用不上，殺雞焉用宰牛刀？何況成本還很貴。

此時人們發現GPU（顯卡）能處理的并行計算正好能滿足挖礦需求，進而紛紛轉向利用GPU挖礦，大大減少了成本，提高了性價比。但在越來越多的礦工入場后，人們已經不能滿足于GPU的運算速度了，進而出現了大批的ASIC礦機，即專用集成線路礦機。這種礦機根據不同的幣種算法有著不同的型號，專挖各類數字貨幣。

ASIC礦機的問世瞬間讓算力世界不再公平。越來越多的資本入場，開始購置大批的礦機進行集中挖礦。他們將這些礦機安排在電費地租便宜的深山中，沒日沒夜地同時進行計算，此時便形成了礦場。

然而礦場也隨著市場的擴大而逐漸不占優勢。由于各方算力勢力的崛起，礦場單打獨斗，越來越難挖到屬于自己的塊，出塊的不確定性很難保證收益能夠負擔起成本。

于是各個礦場決定抱團取暖，他們將算力匯聚在一起，最終成為了礦池。一方面出塊的概率大大提高，可以分得一杯羹；另一方面即是沒有挖到塊，礦池也會給他們固定的保底收益，就是出塊后獲得的比特幣大頭會被礦池拿走——但是雖然是別人吃肉，但畢竟是自己實力跟不上，能夠喝口湯就已經不錯了不是嗎？

所以一句話概括，礦機匯聚成礦場，礦場匯聚成礦池，涓滴成河，川流入海。

那么現在的數字貨幣網絡里，節點已經不再再是個人的設備了，任何一個礦場或者礦池，都可以看作成一個大的節點，并且后者已經遠遠超過了個人設備節點，成為了比特幣網絡的主力軍。

Q3: 什么是工作量證明（proof-of-work）？它和上一個回答里提到的目標值是什么關系？

A: 首先我們先要了解一下什么是哈希計算（hash）。

在比特幣挖礦里主要使用SHA-256算法。我們無需具體了解這個算法的具體機制，我們只需要知道，一個數字A通過SHA-256的計算后，將會變成一個長度為256位的數字B，此時B就叫做A的哈希值。

不同的數字的哈希值絕不會一樣，并且這個過程不可逆，即A可以通過SHA-256得到B，而如果僅知道B，絕不能倒推出數字A。所以即使當系統給出一個值C（已被哈希計算過），沒有任何人能夠倒推出這個值在哈希前是一個什么數字，只能一個一個數字進行嘗試計算。當某個人算出一個哈希后的數字比系統給出的值C小，即可認證計算成功。

此時，礦工為了尋求答案而進行的計算嘗試的過程，我們稱之為工作量證明（proof-of-work）。

綜上所述：

• 系統給出的值C即是目標值；

• 礦工每計算一次，都是工作量證明（proof-of-work）的具體體現。所以工作量證明（proof-of-work）即是證明礦工們為了得到答案確實進行了計算；
• 再具體一些，我們設定一個參數nonce，作為工作量證明的計數器。nonce初始值為0，每進行一次計算數值加1。

Q4: 系統如何自動判斷是否需要調整挖礦難度？又是如何調節才能將出塊速度維穩在每十分鐘一個？

A: 我們都知道，系統將比特幣出塊的速度設定為1個/10分鐘。但這個并不是絕對固定的，因為出塊的速度跟全網各個節點的算力大小有關。

從下圖https://btc.com/stats/diff網站數據我們可以發現：

實際的出塊速度并不是精準的10分鐘，而是在一定的值域內呈小范圍的波動。當某些節點具有較強的算力，它便能更輕松地解開數學題，也就是更快地挖到塊。此時系統將會根據一定周期內的出塊平均時間，進行相應的難度（difficulty）調整：

如果平均值小于10分鐘，便會增加解題難度，即將目標值設置的更小；當目標值減小時，找到一個小于它的哈希值會越來越難（例如，扔骰子扔到小于3點總會比扔到小于6點的概率更小）。反之亦然。

在這里，系統將每14天進行一次難度評估計算，并作出難度調整。

其中：

設d=14天=60*24*14=20160分鐘

在這14天內，將會挖出塊的數量：p=6*24*14=2016個

那么出塊平均時間 avg t1 =p/d

當avg t1 小于上一個周期的avg t0時便會增加難度，相反亦同理。

我們需要注意一點的是，挖礦的速度與比特幣交易的數量與金額規模無關，僅跟全網的算力大小有關。而算力的大小又跟電費、當前幣價有關，因為若是幣價過于低，cover不住挖礦的成本，便會有大量的礦工離場。此時系統的算力便會降低，挖礦的難度也會相應調小。但由于系統每14天才會進行一次調整，所以比特幣的挖礦難度會有些許的滯后性。

10分鐘的出塊速度也是當初中本聰一個權衡，太快的話會導致加大分叉概率（關于分叉與孤塊，后面的文章會詳細介紹）；而太慢的話會使交易確認變得過于漫長。