1分鐘了解“挖礦”的本質(zhì)

作者：58沈劍 2018-03-12 21:31:24

生成一個(gè)區(qū)塊，鏈入?yún)^(qū)塊鏈的過程，就是挖礦。挖礦的人，就是礦工。今天，從技術(shù)的角度出發(fā)，聊聊什么是區(qū)塊鏈里的“挖礦”。

上一篇《??1分鐘了解區(qū)塊鏈的本質(zhì)??》，介紹了什么是區(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)沒有管理員，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有全部數(shù)據(jù)，高可用的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)。

文章的留言里，不少朋友會(huì)用比特幣來解釋區(qū)塊鏈。

?[[222234]]?

那區(qū)塊鏈與比特幣是什么關(guān)系?

答：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。理論上，使用上層應(yīng)用來解釋底層存儲(chǔ)是不合適的。

如上圖，mysql是底層存儲(chǔ)，wechat是上層應(yīng)用，用wechat來解釋mysql是不合適的。

今天，從技術(shù)的角度出發(fā)，聊聊什么是區(qū)塊鏈里的“挖礦”。

先說結(jié)論，區(qū)塊鏈挖礦的本質(zhì)是啥?

答：生成一個(gè)區(qū)塊，鏈入?yún)^(qū)塊鏈的過程，就是挖礦。挖礦的人，就是礦工。

什么是區(qū)塊(block)?

答：如《??1分鐘了解區(qū)塊鏈的本質(zhì)??》里所述，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?

答：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?

答：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)塊是怎么鏈起來的?

答：

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)通過存儲(chǔ)上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的指針，將鏈表鏈起來。

與之類似，區(qū)塊的哈希可以作為區(qū)塊的唯一標(biāo)識(shí)，下一個(gè)區(qū)塊通過存儲(chǔ)上一個(gè)區(qū)塊的哈希，將區(qū)塊鏈起來，這就是區(qū)塊鏈。

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

在此之前，先說說區(qū)塊鏈的三個(gè)特性：

歷史生成的區(qū)塊是無法改變的，即“區(qū)塊鏈只能像寫日志一樣追加寫，不能像mysql一樣隨機(jī)寫”
只能在***的區(qū)塊后面生成新區(qū)塊，即“必須先完成同步全網(wǎng)***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，必須滿足一定條件的新區(qū)塊才有效

假如已經(jīng)同步了***的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，要滿足什么條件，才算生成一個(gè)新的區(qū)塊，才算“挖礦”成功呢?

答：對(duì)***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。

畫外音：這句話很重要，是這篇文章的核心。

為什么大家都說“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?

答：額，這，，，哈希(SHA256是一個(gè)哈希算法)是不可逆的。例如MD5

md5(string) = md5_result

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大家都知道：
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?

答：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開始，遍歷到2^32，來計(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。

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?

答：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***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***的數(shù)據(jù)，再重新開始挖。

有什么方法可以提升挖礦的速度呢?

答：從架構(gòu)的角度出發(fā)

“緩存”是無效的：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)算過的值無法通過“查表”來節(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)

?[[222237]]?

如上圖，這是西藏高原上的一個(gè)比特幣礦場(chǎng)，廉價(jià)的電力讓無數(shù)礦工趨之若鶩。

綜上，區(qū)塊鏈里，什么是挖礦?

答：在***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：