比特币挖矿的原理
提起比特币和区块链，很多人都觉得如数家珍，实则知其然不知所以然。比特币是区块链的前身实现，区块链是比特币的后期提炼；如果初次接触比特币，当你想和别人交流的时候，面对的第一个概念可能就是挖矿。那么，挖矿的原理是什么？怎样利用挖矿产生比特币呢？
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首先，我们来思考一下为什么每个区块链系统都要发行自己的数字货币？也就是前段时间的ICO热。这里面就涉及到区块链的根本作用，这个作用就是：实现社会价值在区块链上的自由流通（类比互联网的根本作用：实现信息的自由流通）。
比如我可以针对汽车开发一个汽车链，针对房子开发一个房子链，针对母猪开发一个母猪链等等。如果一个组织或个人的能量足够大，也可以发布一个面向全行业的链，那汽车、房子、母猪……想在各自的链上自由流转，从A的名下流转到B的名下，或者从C的名下流转到D的名下，一定需要个度量的尺度。这个尺度就是靠支出相应的数字货币来完成的。换句话说，每条链发布的数字货币，充当的是该链上价值流通的一般等价物。做个现实的类比：也就是我们生活中用于交易的人民币、美元、泰铢、英镑等中央货币，在我们购物时充当的作用。每条链可以类比成一个国家，每个国家是不是都有自己的货币系统？这样一想，大概就清楚每条链发行数字货币的目的就是促使链上的资产顺利流通了。就数字货币而言，对于想做事的人，它充当的是价值流通的一般等价物；对于敛财的人，就是个圈钱的工具。
在区块链上，数字货币的发布模式是怎样的呢？
区块链发布链上的数字货币有两种主要形式。一种是，以国内的NEO为例，NEO的发行模式是：在系统创建的时候，一次性的在创世块里，写入1亿个NEO。借助ICO，用户可以直接用人民币认购持有。这种模式比较类似于央行发行人民币。
另一种就是类似于淘金，就是比特币这样的，通过挖矿节点，不断消耗自身的算力，来换取比特币。由于比特币系统是完全开源的，在这套开源的代码里，包含了挖矿的功能，只要一个人懂代码，就可以把这套代码进行编译部署，加入到比特币网络里面去，把挖矿功能开启，那你的宿主机开始挖矿了。
在比特币系统，通过自身的算法可以动态调整全网节点的挖矿难度，保证每过大约10分钟，比特币网络中，就会有一个节点挖矿成功；一旦有人挖矿成功，比特币系统就会奖励此人一定数量的比特币，这个数量也是通过算法控制的。具体说来：最开始的四年，每个挖矿成功的人会得到25个比特币的奖励，每过四年衰减一半；也就是下一个四年挖矿成功奖励12.5个，再下一个四年奖励6.25个，以此类推。大约到2140年的时候，区块链发行完毕，大约2100万个比特币，这就是比特币的总量，所以不会无限增加下去。
通过上面的阐述，大家应该明白挖矿和比特币的关系了。这个关系就是：挖矿，是比特币系统发行自身数字货币，也就是比特币的必经之路。比特币系统，借助挖矿完成自身数字货币的发行。发行数字货币的过程，就是各个矿工竞争挖矿的过程。在每一个10分钟内，看谁先挖到矿，就奖励一定数量的比特币，这个奖励的过程就是比特币发行的过程；每个挖矿节点，受利益的驱使，也是不断的想办法能更快地挖矿，这也就催生了市面上的各种各样的矿池节点。
挖矿是比特币系统中一个形象化的表述。它背后真正的名称是POW算法，也就是工作量证明算法。工作量证明，是从经济学中来的。1993年，由两个经济学家提出来的一种策略，就是防止对服务滥用或者资源滥用，而采取的一种有效阻断的经济策略。
POW算法在比特币之前就已经被广泛使用了，其中比较有名的就是Google邮箱的反垃圾邮件系统。Google是这样做的：他要求每一个给google邮件服务器发电邮的对方服务器，必须先完成一定量的计算工作，这个计算可能会耗时对方服务线程2到3秒。2到3秒的时间，如果是一个人在发邮件，是完全可以忍受的；如果对方是个发送垃圾邮件的脚本程序，他是根本无法忍受的，邮件脚本要做的是每秒成千上百封的往外发。
那POW算法在比特币系统是怎样应用的？中本聪在设计实现比特币系统的时候，希望每10分钟完成一次比特币发行，由于比特币网络中有成千上万个节点，那该把币发行给谁呢？按照工作量证明的策略，也就是POW算法的思路，中本聪在比特币系统中，给每一个节点出了一个难题。每个区块头的数据结构里面都有个Nonce字段，中本聪的解决的难题就是：在其他字段值不变的前提下，通过不断调节Nonce的值，来对BlockHeader这个结构体值算Hash，要求找到一个Nonce值，使得算出来的hash值小于或大于某个固定值，这个固定值，在BlockHeader结构体中，由Bits来标示。
由于hash算法是一个不可以逆的算法，没法通过具体的hash值，倒推出原文。这样每个节点只能采用穷举的方法，也就是从1开始，2 3 4 5…不断的往后试。在这个过程就开始考验各个节点的CPU计算速度了，算的快的，很快就能得到Nonce值，然后他就把这个Nonce值放在结构体里，通过P2P网络广播出去。每个系统节点收到后，发现这个Nonce值是合法的，能满足要求，就认为挖矿成功。对于那些算到半截的节点，发现有人已经算出来了，就放弃本次穷举了，然后开始通过穷举的办法，去寻找下一个区块头的Nonce值。
因此说，所谓挖矿，就是计算机通过穷举的办法，不断去找Nonce值、算Hash值的过程。谁先找到，谁就挖成功了。
