區塊鏈中比特幣和挖礦原理漫談

摘 要：區塊鏈一直被人們認為是比較高深的技術。直到勒索病毒爆發時期間人們才逐漸聽說區塊鏈，初步知道了比特幣和挖礦。然而對于比特幣，普通人是陌生的。挖礦人們也僅僅只能從字面上理解。挖礦為什么能獲得比特幣呢，挖礦的原理又是什么？本文從比特幣和挖礦的原理說起，希望能對普通大眾了解比特幣和挖礦，了解區塊鏈有所促進。繼而推動區塊鏈技術在各個應用領域的不斷拓展。

關鍵詞：區塊鏈;比特幣;挖礦;哈希算法

2019年10月24日習近平總書記在中央政治局第十八次集體學習時強調要把“區塊鏈”作為核心技術自主創新重要突破口，加快推動“區塊鏈”技術和產業創新發展。近來“區塊鏈”這個名詞也越來越多的出現在各個高層會議上，越來越頻繁的出現在人們的視野中。區塊鏈究竟是什么呢？事實上區塊鏈是伴隨著比特幣產生的一種新技術。它本質上是一個去中心化的數據庫。提起區塊鏈我們就必須先了解一下比特幣的概念了。

1 比特幣產生的歷史和特點

比特幣實際上是一種電子貨幣，或者叫數字貨幣，它的本質是基于密碼學的一種貨幣。這種貨幣與我們日常使用的銀行卡里面的貨幣和現金完全不同。比特幣的出現是一個傳奇。2008年，全球爆發了大規模的金融危機，2008年11月1日，有一個網絡極客，化名叫中本聰。真人是誰，我們無從得知。中本聰曾經在網絡上發表了一篇文章。提出了比特幣的概念，他設計了一種去中心化的電子記賬系統。提到記賬，我們來回想一下，在進行交易的時候我們都必須進行記賬操作，比方說，我支付給你100元人民幣，我首先必須檢查自己的銀行卡里，是否有足夠的額度，完成支付后還剩余多少，這就要記賬，現階段我們日常生活中的交易是通過銀行來記賬，無論我們是使用信用卡或是支付寶或者微信都是通過銀行來記賬的，我們信任銀行，因為銀行的背后是國家的信用，在此我們認為銀行是記賬的中心。而中本聰認為其實我們并不需要帶中心化的這個記賬系統。我們可以去中心化。讓每個人都記賬并且把賬本廣播出去，讓所有人都看到。這就是一種去中心化的電子記賬系統。

2 區塊鏈中塊和鏈的構成實質

前面我們提到區塊鏈就是一個數據庫或者說區塊鏈就是用來存儲數據的一個處理系統，在數據庫中記錄交易等數據，又稱這種數據庫為賬本。這種賬本特殊之處在于，每個人都可以參與賬本的記賬過程。區塊鏈中的塊就存儲了大量的交易信息，一個區塊，大小約為1兆字節。可以存4000條左右的交易記錄，存儲信息的多少取決于每一條記錄的大小。這個塊打包完成之后，我們再把這個塊鏈接到以前的交易記錄上，形成了一條鏈，這樣就形成了區塊鏈。新建區塊的過程又被稱為“挖礦”。挖礦主要完成下面的工作：接受交易信息，建造區塊，把區塊廣播出去，然后得到比特幣作為獎勵。挖礦的報酬來自兩個方面，其一：所有被成功打包的交易過程都要支付給記賬人一定的手續費（以比特幣的形式支付）。其二：打包成功有獎勵，這個獎勵就是比特幣。按照中本聰的設想，每十分鐘全世界只有一個人能成功打包，也即只有一人能成功獲得比特幣。獲得比特幣的數值是一個定值。中本聰在2008年提出這個分布式記賬系統時，設計了這樣的一個方案，每10分鐘打一個包。最開始成功的打包者，將獲得50個比特幣的獎勵，這個過程將持續四年。四年之后，同樣是每10分鐘打包一次。獎勵金額減半，即成功的打包者將獲得25個比特幣的獎勵，再過4年獎勵12.5個比特幣，也就是每過4年之后，獎勵的比特幣數額減半。按照這種算法，全世界比特幣一共有2100多萬個。

3 挖礦的含義，挖礦為什么這么難

正因為比特幣的產生是通過打包獎勵這種方式擴散出去的。也正因為有了手續費和打包獎勵兩種獲得比特幣的方式，所以世界上所有的挖礦者都積極的去打包，究竟誰能打包成功，或者說誰能挖到礦呢？中本聰想到一個辦法，叫工作量證明。即每一個參與的用戶，都要去做一個很難的數學題，這個很難的數學題，只有第一個成功做出這個數學題的挖礦者才有權利進行打包。這個數學題非常難，難到全世界沒有任何一個人能夠直接通過腦力計算將它算出。我們必須一個一個數據嘗試，直到你把它嘗試解答出來了，那么你就獲得這個獎勵。所以這個過程我們就稱之為挖礦。如果你在10分鐘內第一個把這個數學題做出來了，你就獲得了這個打包的獎勵。而這個打包的獎勵就是幾十個比特幣，就稱之為挖礦成功了。

4 挖礦原理漫談

我們繼續深入探討挖礦的具體原理。我們知道了挖礦就是做一個很難的數學題，求解這個數學題并不是看你腦子聰明不聰明，而是看你計算機的運算速度如何。因為沒有人能夠通過人的大腦將它計算出來，也無法通過數學方程或手工驗算的方式得到結果。這個數學題是什么呢，就是哈希函數。用通俗的話講，哈希函數就是把一個字符串通過一定的運算，轉化成一個二進制的形式。正向推算比較容易，反算非常難。在哈希算法里面有一個很著名的，由美國國家安全局發明的算法SHA256。將一個字符串輸入到這SHA256算法中，最后會得到一個256位的二進制數。在區塊鏈鏈接的過程中每一個塊不單純只有交易信息，每個塊有個頭部。包含了前塊頭部、賬單信息、時間戳、和一個隨機數。對這個字符串做兩次SHA256運算。會得到一個哈希值。這個哈希值的前N位為0，如果計算出來的哈希值前N位為零，符合要求，那么就成功了。如果計算出來的前N位的0的個數不符合要求，就必須調整字符串最后的隨機數，繼續推算，直到滿足條件為止。這樣就把符合條件的哈希值做為新塊的頭部鏈接到已經產生的塊上。只有這樣才能成功打包并且保證鏈接成功。當然只有第一個算出正確哈希值的并鏈接到新塊上的才能獲得比特幣的獎勵。隨著時間的推移和比特幣價值的不斷攀升，單位時間能獲取的比特幣越來越少，參與挖礦的人越來越多。參與挖礦的礦主只有購買更多更快的礦機，才能在單位時間內提高運算速度，有更多的機會去嘗試那個隨機數。從而獲得比特幣的獎勵。

5 結語與展望

比特幣是基于區塊鏈技術構建而成，但它只是該技術諸多應用中的一種，絕非等同于區塊鏈。人們逐步意識到區塊鏈技術最具可行性的應用就在具有“公證性”事物方面，如果有了區塊鏈技術作為基礎，大家通過區塊鏈技術獲得的信息都是真實可靠的，那么人們交易就不需要通過第三方擔保了，因此有人說區塊鏈具有“去第三方”或“無需信任系統”等特性。區塊鏈技術應用前景廣闊，并且也不斷有領域開始嘗試應用，可以這樣認為，如果說蒸汽機釋放了人們的生產力，電力解決了人們基本的生活需求，互聯網改變了信息傳遞的方式，那么區塊鏈作為構造信任的機器，將可能改變整個人類社會價值傳遞的方式。

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基金項目：湘潭市2019年度指導性科技計劃項目“區塊鏈+”高校智慧校園建設研究（ZDX-CG2019022）

作者簡介：劉佳（1977-），男，湖南湘潭人，碩士，講師，主要研究方向：計算機網絡技術，數據庫技術，高校教育信息化。