小朋友也能看懂的挖矿原理
大家知道比特币需要通过“挖矿”来获得，但真正了解其原理的不多，那些艰深又复杂的密码学算法看了就头大。挖矿到底在做什么？为什么必须是挖矿这种形式？今天我们来一次性了解比特币的挖矿原理。
1. 区块链网络
比特币底层是一个 区块链网络，这是一个完全去中心化的系统，所谓去中心化，就是说数据并不是集中存在数据库里，而是区块链的参与者自己保存，这些参与者称为结点。所有结点共同维护一份数据。
这份数据就是交易数据，例如A给B转了1个BTC，E给F转了0.5个BTC，把交易数据打包到一个 区块 里面，一个又一个区块串联起来就形成了区块链。
交易要生效，就必须打包进区块，现在问题是：
- 谁有资格打包区块？
- 怎样提高参与打包的积极性？如果没人参与打包，那这个系统就没办法运行下去
- 怎么防止打包区块的人作恶？例如往自己的账户里转10000个BTC
问题2很容易解决，每发现一个有效的区块，就给打包该区块的人一些BTC作为奖励（挖矿奖励），同时区块里打包的每一笔交易，也可以获得一定的打包费（交易奖励）。既然有利可图，参与的人就多了，怎么防止参与者作恶？这一点对于小朋友们来说还不太好理解，我们放下一期再说。
现在先假设区块链的参与者都很诚实，那就还剩下一个问题：谁有资格打包区块？
2. 为什么要挖矿
我们现在已经知道答案了，矿工通过挖矿来争夺打包区块的权利，人们形象地称之为“记账权”。但一定要挖矿吗，不挖矿行不行？
这就好比几百万人在一起开会，也没有主持人，如何才能达成共识？
可能的方案一：抽签决定。这个方案有个很大的问题，就是所有人都要把签投进抽奖箱，那么“抽奖箱”就成为了一个中心化的东西，没法保证抽奖箱不被操控，这违背了去中心化的初衷
可能的方案二：轮流参与打包。这虽然能解决打包的冲突，但会降低参与者的积极性，某个参与者一旦打包过一次，下次再轮到就要过很久了，聪明的人可能会在打完包拿了奖励后立即退出
可能的方案三：提名选举。在一些分布式系统架构中（如zookeeper）就有选举算法，在节点数量不多的情况下还可以，如果节点达到百万级，选举的效率会极其低下。而且选举本身带有主观性，其公平性很难得到保证
所以这套系统必须同时解决这几个问题：
- 去中心化存储和计算，需要避免依赖任何中心化的技术
- 需要有足够多的参与者，才能防止数据被篡改
- 要足够公平，让所有参与者都有机会
“挖矿”就能解决这些问题，遍地是黄金，挖到就是你的，而能不能挖到取决于你的镐子挥动了多少下，付出越多得到越多，一定程度上很公平。
3. 什么是挖矿
当然“挖矿”只是一个比喻，在比特币这个区块链系统中，算力就是镐子，矿工需要通过不断进行数学计算得出满足条件的计算结果，只要算出来了就表示挖矿成功，获得了记账权，矿工把这个区块发布到区块链网络中，其他节点验证过后就会把这个区块追加到链的末尾。
在真正介绍挖矿过程之前，还需要了解一个非常重要的东西
3.1 哈希算法
哈希（Hash）算法也可以看做是一个哈希函数：y=H(x)，给定一个输入x，经过一通计算就可以得到y。咱们暂时不需要关心这个函数的具体表达式，而只需知道它有什么特点：
- 不会出现哈希碰撞，也就是给定两个输入x1和x2，它们分别算出来的y1和y2几乎不可能相等
- 计算过程是单向不可逆的，已知y的值，没办法推算出x是什么
- 很容易验证，已知x和y，只需再算一次H(x)就可以知道y是否正确
提示
比特币中用到的哈希算法是SHA256，感兴趣的朋友可以自己研究
3.2 挖矿过程
矿工会维护一个还未完成的交易列表
- 取出一部分交易，验证合法性
- 选择合法的交易打包进区块，由于区块的总数据量大小有限制，所以区块里也只能包含有限的交易数量
- 计算所有交易的总Hash（Merkle Root Hash）
- 区块的Header有一个随机数，通过不断调整随机数来计算Header的Hash值
- 直到找到小于特定值的Hash值，则出块成功
由于符合条件的Hash值都很小，通常前面都带有很多个0，类似这样：000000000000000000000841c59a4679d6e70715212415b195666666665175e。显然这个阈值越小，挖矿难度就越大，比特币系统就是通过这个阈值来控制大约每10分钟出一个新的区块。
由于Hash函数的特性，导致要想“挖”到合法的区块，只能不断尝试新的随机数，就目前的技术来说无法破解，唯一的办法就是增强算力。这个过程被形象地比作是挖矿，通过挖矿来争取记账权的机制叫做 工作量证明（PoW Proof of Work）
4. 挖矿的进化史
运行比特币系统的代码都是开源的，只要把代码下载下来运行，理论上任意一台计算机都可以参与到比特币的挖矿中。早期也确实如此，参与挖矿的都是家用PC机，或配置稍好的服务器，这一阶段挖矿主要靠CPU来工作。
学过计算机的朋友会知道，CPU适合处理复杂的程序和任务调度，而GPU更适合处理大量简单的并行数学计算。为了提升算力，矿工逐渐改为使用GPU来挖矿，这也导致显卡的价格水涨船高。
不过GPU仍属于通用芯片，GPU不是为了挖矿而设计的，其中有许多挖矿用不到的指令。更加专业的挖矿机构发现了这个问题，为了省电并提升芯片利用率，开始研发专门用于挖矿的专用芯片。这些芯片的出现让挖矿算力得到进一步提升。
除了提升设备的专业性之外，挖矿的规模也在逐渐增大，从单台机器到专用挖矿机房再到大型矿场，这就导致能挖到币的概率越来越集中在头部矿场中，挖矿耗电巨大，有些矿场甚至有自建的水力发电站。
现阶段只靠个人设备挖矿已经毫无可能，即便你有专用挖矿芯片，算力也无法和大型矿场抗衡，这样有部分矿工就不得不选择和大型矿场合作，出卖算力来赚钱。矿场中的矿主负责打包交易，而尝试随机数，计算哈希值的任务则交给了矿工。挖到矿后矿主会给矿工分配利润。
5. 挖矿风险
目前挖矿的利润主要来自于出块奖励，支出则来源于设备成本、电力成本，据业内朋友透露，目前挖出一枚BTC的成本大约8-9w美元，根据目前的BTC价格，仍能有不少利润空间。
这里面的风险在于1.币价波动较大，如果BTC价格下跌则无法保证利润；2.BTC每4年出块奖励减半。还有一个隐藏风险，随着整个比特币网络算力的集中化，将来或许会出现超过51%算力的挖矿机构，届时整个比特币系统都可能受到威胁。不过这一天是否会到来还很难说，我们就拭目以待吧。