区块链中比特币挖矿原理分析

区块链一直被认为是一种比较先进的技术。直到勒索病毒爆发，人们才逐渐听说了区块链，初步了解了比特币和挖矿。但是，普通人对比特币并不熟悉。矿工只能从字面上理解。为什么挖矿可以得到比特币，挖矿的原理是什么？本文从比特币和挖矿的原理说起，希望能够帮助广大大众了解比特币和挖矿，了解区块链。进而推动区块链技术在各个应用领域的不断拓展。

2019年10月24日，习近平总书记在中共中央政治局第十八次集体学习中强调要以“区块链”为核心技术突破自主创新，加快“区块链”发展区块链”技术与产业创新。最近，“区块链”这个词越来越多地出现在各种高层会议上，也越来越频繁地出现在人们的视野中。区块链究竟是什么？事实上，区块链是伴随比特币而来的新技术。它本质上是一个去中心化的数据库。说到区块链，我们首先要了解比特币的概念。

1 比特币的历史和特点

比特币其实是一种电子货币，或者说数字货币简述比特币的产生原理，其本质是一种基于密码学的货币。这种货币与我们日常使用的银行卡中的货币和现金完全不同。比特币的出现是一个传奇。 2008年，全球爆发了大规模的金融危机。 2008 年 11 月 1 日，出现了一位化名中本聪的网络极客。真人是谁，我们无从得知。中本聪曾经在网上发表过一篇文章。提出比特币的概念，他设计了一个去中心化的电子会计系统。说到簿记，让我们来回思考。在进行交易时简述比特币的产生原理，我们都必须记账。比如我付给你100块钱，我首先要检查我的银行卡里是否有足够的信用额度。付款完成后还剩下多少，要记账。在这个阶段，我们日常生活中的交易都是通过银行进行登记的。无论我们使用信用卡、支付宝还是微信，我们都是通过银行进行记账的。我们信任银行。 ，因为银行的背后是国家的信用，这里我们认为银行是记账的中心。中本聪认为我们不需要集中的会计系统。我们可以去中心化。让大家保留账本，并广播账本给大家看。这是一个去中心化的电子会计系统。

2 区块链中区块链组成的本质

正如我们前面提到的，区块链是一个数据库，或者说区块链是一个用于存储数据的处理系统。诸如交易之类的数据记录在数据库中，该数据库也称为分类帐。这个账本的特别之处在于每个人都可以参与记账过程。区块链中的一个区块存储了大量的交易信息，一个区块大小约为 1 兆字节。大约可以存储4000条交易记录，存储的信息量取决于每条记录的大小。区块打包后，我们将区块与之前的交易记录链接起来，形成一条链，从而形成一条区块链。创建新区块的过程也称为“挖矿”。挖矿主要完成以下任务：接受交易信息、构建区块、广播区块，然后获得比特币作为奖励。挖矿的奖励来自两个方面，一：所有打包成功的交易都必须向记账人支付一定的费用（以比特币的形式支付）。第二：打包成功有奖励，这个奖励就是比特币。按照中本聪的设想，全世界每十分钟只有一个人能够成功打包，也就是只有一个人能够成功获得比特币。获得比特币的价值是一个固定值。中本聪在 2008 年提出这个分布式记账系统时，就设计了这样的方案，每 10 分钟发一个数据包。第一个成功的打包者将获得 50 个比特币奖励，这个过程将持续四年。四年后，每 10 分钟就有一包。奖励金额减半，即打包成功者奖励25比特币，4年奖励12.5比特币，即每4年后奖励比特币数量为减半。根据这个算法，全世界有超过 2100 万比特币。

3 挖矿的意义，为什么挖矿这么难

正是因为比特币的产生是通过打包奖励的方式传播的。正是因为有两种方式获得比特币，分别是手续费和打包奖励，全世界的矿工都在积极打包。谁能成功打包，谁能挖到矿？ Satoshi Nakamoto 想一个叫做工作量证明的方法。也就是说，每个参与的用户都必须做一道难题。只有第一个成功解决这个数学问题的矿工才有资格打包它。这道数学题太难了，世界上没有人可以直接通过心算来解决。我们必须逐个尝试数据，直到您解决它，然后您才能获得奖励。所以我们把这个过程称为挖掘。如果您是第一个在 10 分钟内解决此数学问题的人，您将获得此打包奖金。而这个打包的奖励就是几十个比特币，这才叫挖矿成功。

4 浅谈挖矿原理

我们继续深入讨论挖矿的具体原理。我们知道采矿正在做一道难题。解决这个数学问题并不取决于你的大脑有多聪明，而是你的计算机运行速度有多快。因为没有人能通过人脑计算出来，也无法通过数学方程式或人工验证得到。这个数学问题是什么，是哈希函数。通俗的讲，哈希函数就是通过一定的运算将字符串转换成二进制形式。正向计算相对容易，但逆向计算非常困难。在哈希算法中，有一个非常著名的算法SHA256，它是由美国国家安全局发明的。在这个 SHA256 算法中输入一个字符串，你最终会得到一个 256 位的二进制数。在区块链链接的过程中，每个区块不仅有交易信息，而且每个区块都有一个区块头。包含预块头、计费信息、时间戳和随机数。对此字符串执行两次 SHA256 操作。将得到一个哈希值。该哈希值的前N位为0。如果计算出的哈希值的前N位为0且满足要求，则成功。如果计算出的前N位0的个数不满足要求，则必须调整字符串末尾的随机数，继续计算直到满足条件。这样，合格的哈希值就作为新区块的头部链接到已经生成的区块。只有这样才能打包成功，保证链接成功。当然，只有第一个获得正确哈希并链接到新区块的人才能获得比特币奖励。随着时间的推移，比特币的价值不断上涨，单位时间内所能获得的比特币越来越少，参与挖矿的人越来越多。只有购买更多更快的矿机，参与挖矿的矿工才能提高单位时间内的计算速度，有更多机会尝试随机数。从而获得比特币奖励。

5 结论与展望

比特币是建立在区块链技术的基础上的，但它只是该技术众多应用中的一种，绝不等同于区块链。人们逐渐意识到，区块链技术最可行的应用是在“公证”方面。如果以区块链技术为基础，大家通过区块链技术获得的信息是真实可靠的，那么人们的交易就不需要经过第三方担保，所以有人说区块链具有“去向”的特点。第三方”或“无信任系统”。区块链技术的应用前景广阔，也有领域开始尝试应用。可以认为，如果蒸汽机释放了人们的生产力，电力解决了人们的基本生活需求，互联网改变了信息传递的方式，那么区块链作为构建信任的机器，链可能会改变人们的信息传递方式。整个人类社会的价值传递。

参考资料：

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[5]梁斌．从《比特币挖矿》看区块链技术的共识机制[J]. 中国金融计算机, 2016, 9: 45-4 6.

基金项目：湘潭市2019年科技指导计划项目“区块链+”高校智慧校园建设研究（ZDX-CG2019022)

作者简介：刘佳（1977-），男，湖南湘潭人，硕士，讲师，主要研究方向：计算机网络技术、数据库技术、高校教育信息化。