什么是挖礦，為什么挖礦越來越難

區(qū)塊鏈（blockchain）是眼下的大熱門，新聞媒體大量報(bào)道，宣稱它將創(chuàng)造未來?？墒?，簡單易懂的入門文章卻很少。區(qū)塊鏈到底是什么，有何特別之處，很少有解釋。

需要說明的是，我并非這方面的專家。雖然很早就關(guān)注，但是仔細(xì)地了解區(qū)塊鏈，還是從今年初開始。文中的錯(cuò)誤和不準(zhǔn)確的地方，歡迎大家指正。

01.區(qū)塊鏈的本質(zhì)

區(qū)塊鏈?zhǔn)鞘裁?？一句話，它是一種特殊的分布式數(shù)據(jù)庫。

首先，區(qū)塊鏈的主要作用是儲(chǔ)存信息。任何需要保存的信息，都可以寫入?yún)^(qū)塊鏈，也可以從里面讀取，所以它是數(shù)據(jù)庫。

其次，任何人都可以架設(shè)服務(wù)器，加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。區(qū)塊鏈的世界里面，沒有中心節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是平等的，都保存著整個(gè)數(shù)據(jù)庫。你可以向任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，寫入/讀取數(shù)據(jù)，因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)最后都會(huì)同步，保證區(qū)塊鏈一致。

02.區(qū)塊鏈的最大特點(diǎn)

分布式數(shù)據(jù)庫并非新發(fā)明，市場上早有此類產(chǎn)品。但是，區(qū)塊鏈有一個(gè)革命性特點(diǎn)。

區(qū)塊鏈沒有管理員，它是徹底無中心的。其他的數(shù)據(jù)庫都有管理員，但是區(qū)塊鏈沒有。如果有人想對區(qū)塊鏈添加審核，也實(shí)現(xiàn)不了，因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)目標(biāo)就是防止出現(xiàn)居于中心地位的管理當(dāng)局。

正是因?yàn)闊o法管理，區(qū)塊鏈才能做到無法被控制。否則一旦大公司大集團(tuán)控制了管理權(quán)，他們就會(huì)控制整個(gè)平臺(tái)，其他使用者就都必須聽命于他們了。

但是，沒有了管理員，人人都可以往里面寫入數(shù)據(jù)，怎么才能保證數(shù)據(jù)是可信的呢？被壞人改了怎么辦？請接著往下讀，這就是區(qū)塊鏈奇妙的地方。

03.區(qū)塊

區(qū)塊鏈由一個(gè)個(gè)區(qū)塊（block）組成。區(qū)塊很像數(shù)據(jù)庫的記錄，每次寫入數(shù)據(jù)，就是創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊。

每個(gè)區(qū)塊包含兩個(gè)部分。

區(qū)塊頭（Head）：記錄當(dāng)前區(qū)塊的元信息

區(qū)塊體（Body）：實(shí)際數(shù)據(jù)

區(qū)塊頭包含了當(dāng)前區(qū)塊的多項(xiàng)元信息。

生成時(shí)間

實(shí)際數(shù)據(jù)（即區(qū)塊體）的 Hash

上一個(gè)區(qū)塊的 Hash

……

這里，你需要理解什么叫 Hash，這是理解區(qū)塊鏈必需的。

所謂 Hash 就是計(jì)算機(jī)可以對任意內(nèi)容，計(jì)算出一個(gè)長度相同的特征值。區(qū)塊鏈的 Hash 長度是256位，這就是說，不管原始內(nèi)容是什么，最后都會(huì)計(jì)算出一個(gè)256位的二進(jìn)制數(shù)字。而且可以保證，只要原始內(nèi)容不同，對應(yīng)的 Hash 一定是不同的。

舉例來說，字符串123的 Hash 是（十六進(jìn)制）：8fdc205a9f19cc1c7507a60c4f01b13d11d7fd0，轉(zhuǎn)成二進(jìn)制就是256位，而且只有123能得到這個(gè) Hash。

因此，就有兩個(gè)重要的推論。

推論1：每個(gè)區(qū)塊的 Hash 都是不一樣的，可以通過 Hash 標(biāo)識(shí)區(qū)塊。

推論2：如果區(qū)塊的內(nèi)容變了，它的 Hash 一定會(huì)改變。

04.Hash 的不可修改性

區(qū)塊與 Hash 是一一對應(yīng)的，每個(gè)區(qū)塊的 Hash 都是針對“區(qū)塊頭”（Head）計(jì)算的。

Hash = SHA256（區(qū)塊頭）

上面就是區(qū)塊 Hash 的計(jì)算公式，Hash 由區(qū)塊頭唯一決定，SHA256是區(qū)塊鏈的 Hash 算法。

前面說過，區(qū)塊頭包含很多內(nèi)容，其中有當(dāng)前區(qū)塊體的 Hash（注意是“區(qū)塊體”的 Hash，而不是整個(gè)區(qū)塊），還有上一個(gè)區(qū)塊的 Hash。這意味著，如果當(dāng)前區(qū)塊的內(nèi)容變了，或者上一個(gè)區(qū)塊的 Hash 變了，一定會(huì)引起當(dāng)前區(qū)塊的 Hash 改變。

這一點(diǎn)對區(qū)塊鏈有重大意義。如果有人修改了一個(gè)區(qū)塊，該區(qū)塊的 Hash 就變了。為了讓后面的區(qū)塊還能連到它，該人必須同時(shí)修改后面所有的區(qū)塊，否則被改掉的區(qū)塊就脫離區(qū)塊鏈了。由于后面要提到的原因，Hash 的計(jì)算很耗時(shí)，同時(shí)修改多個(gè)區(qū)塊幾乎不可能發(fā)生，除非有人掌握了全網(wǎng)51%以上的計(jì)算能力。

正是通過這種聯(lián)動(dòng)機(jī)制，區(qū)塊鏈保證了自身的可靠性，數(shù)據(jù)一旦寫入，就無法被篡改。這就像歷史一樣，發(fā)生了就是發(fā)生了，從此再無法改變。

每個(gè)區(qū)塊都連著上一個(gè)區(qū)塊，這也是“區(qū)塊鏈”這個(gè)名字的由來。

05.采礦

由于必須保證節(jié)點(diǎn)之間的同步，所以新區(qū)塊的添加速度不能太快。試想一下，你剛剛同步了一個(gè)區(qū)塊，準(zhǔn)備基于它生成下一個(gè)區(qū)塊，但這時(shí)別的節(jié)點(diǎn)又有新區(qū)塊生成，你不得不放棄做了一半的計(jì)算，再次去同步。因?yàn)槊總€(gè)區(qū)塊的后面，只能跟著一個(gè)區(qū)塊，你永遠(yuǎn)只能在最新區(qū)塊的后面，生成下一個(gè)區(qū)塊。所以，你別無選擇，一聽到信號(hào)，就必須立刻同步。

所以，區(qū)塊鏈的發(fā)明者中本聰（這是假名，真實(shí)身份至今未知）故意讓添加新區(qū)塊，變得很困難。他的設(shè)計(jì)是，平均每10分鐘，全網(wǎng)才能生成一個(gè)新區(qū)塊，一小時(shí)也就六個(gè)。

這種產(chǎn)出速度不是通過命令達(dá)成的，而是故意設(shè)置了海量的計(jì)算。也就是說，只有通過極其大量的計(jì)算，才能得到當(dāng)前區(qū)塊的有效 Hash，從而把新區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈。由于計(jì)算量太大，所以快不起來。

這個(gè)過程就叫做采礦（mining），因?yàn)橛?jì)算有效 Hash 的難度，好比在全世界的沙子里面，找到一粒符合條件的沙子。計(jì)算 Hash 的機(jī)器就叫做礦機(jī)，操作礦機(jī)的人就叫做礦工。

06.難度系數(shù)

讀到這里，你可能會(huì)有一個(gè)疑問，人們都說采礦很難，可是采礦不就是用計(jì)算機(jī)算出一個(gè) Hash 嗎，這正是計(jì)算機(jī)的強(qiáng)項(xiàng)啊，怎么會(huì)變得很難，遲遲算不出來呢？

原來不是任意一個(gè) Hash 都可以，只有滿足條件的 Hash 才會(huì)被區(qū)塊鏈接受。這個(gè)條件特別苛刻，使得絕大部分 Hash 都不滿足要求，必須重算。

原來，區(qū)塊頭包含一個(gè)難度系數(shù)（difficulty），這個(gè)值決定了計(jì)算 Hash 的難度。舉例來說，第100000個(gè)區(qū)塊的難度系數(shù)是 14484.16236122。

區(qū)塊鏈協(xié)議規(guī)定，使用一個(gè)常量除以難度系數(shù)，可以得到目標(biāo)值（target）。顯然，難度系數(shù)越大，目標(biāo)值就越小。

Hash 的有效性跟目標(biāo)值密切相關(guān)，只有小于目標(biāo)值的 Hash 才是有效的，否則 Hash 無效，必須重算。由于目標(biāo)值非常小，Hash 小于該值的機(jī)會(huì)極其渺茫，可能計(jì)算10億次，才算中一次。這就是采礦如此之慢的根本原因。

區(qū)塊頭里面還有一個(gè) Nonce 值，記錄了 Hash 重算的次數(shù)。第 100000 個(gè)區(qū)塊的 Nonce 值是274148111，即計(jì)算了 2.74 億次，才得到了一個(gè)有效的 Hash，該區(qū)塊才能加入?yún)^(qū)塊鏈。

07.難度系數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

就算采礦很難，但也沒法保證，正好十分鐘產(chǎn)出一個(gè)區(qū)塊，有時(shí)一分鐘就算出來了，有時(shí)幾個(gè)小時(shí)可能也沒結(jié)果。總體來看，隨著硬件設(shè)備的提升，以及礦機(jī)的數(shù)量增長，計(jì)算速度一定會(huì)越來越快。

為了將產(chǎn)出速率恒定在十分鐘，中本聰還設(shè)計(jì)了難度系數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制。他規(guī)定，難度系數(shù)每兩周（2016個(gè)區(qū)塊）調(diào)整一次。如果這兩周里面，區(qū)塊的平均生成速度是9分鐘，就意味著比法定速度快了10%，因此難度系數(shù)就要調(diào)高10%；如果平均生成速度是11分鐘，就意味著比法定速度慢了10%，因此難度系數(shù)就要調(diào)低10%。

難度系數(shù)越調(diào)越高（目標(biāo)值越來越小），導(dǎo)致了采礦越來越難。

08.區(qū)塊鏈的分叉

即使區(qū)塊鏈?zhǔn)强煽康?，現(xiàn)在還有一個(gè)問題沒有解決：如果兩個(gè)人同時(shí)向區(qū)塊鏈寫入數(shù)據(jù)，也就是說，同時(shí)有兩個(gè)區(qū)塊加入，因?yàn)樗鼈兌歼B著前一個(gè)區(qū)塊，就形成了分叉。這時(shí)應(yīng)該采納哪一個(gè)區(qū)塊呢？

現(xiàn)在的規(guī)則是，新節(jié)點(diǎn)總是采用最長的那條區(qū)塊鏈。如果區(qū)塊鏈有分叉，將看哪個(gè)分支在分叉點(diǎn)后面，先達(dá)到6個(gè)新區(qū)塊（稱為“六次確認(rèn)”）。按照10分鐘一個(gè)區(qū)塊計(jì)算，一小時(shí)就可以確認(rèn)。

由于新區(qū)塊的生成速度由計(jì)算能力決定，所以這條規(guī)則就是說，擁有大多數(shù)計(jì)算能力的那條分支，就是正宗的比特鏈。

09.總結(jié)

區(qū)塊鏈作為無人管理的分布式數(shù)據(jù)庫，從2009年開始已經(jīng)運(yùn)行了8年，沒有出現(xiàn)大的問題。這證明它是可行的。

但是，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，區(qū)塊鏈也有自己的代價(jià)。一是效率，數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈，最少要等待十分鐘，所有節(jié)點(diǎn)都同步數(shù)據(jù)，則需要更多的時(shí)間；二是能耗，區(qū)塊的生成需要礦工進(jìn)行無數(shù)無意義的計(jì)算，這是非常耗費(fèi)能源的。

因此，區(qū)塊鏈的適用場景，其實(shí)非常有限。

1.不存在所有成員都信任的管理當(dāng)局

2.寫入的數(shù)據(jù)不要求實(shí)時(shí)使用

3.挖礦的收益能夠彌補(bǔ)本身的成本

如果無法滿足上述的條件，那么傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫是更好的解決方案。

目前，區(qū)塊鏈最大的應(yīng)用場景（可能也是唯一的應(yīng)用場景），就是以比特幣為代表的加密貨幣。