2008年10月31日，中本聰（Satoshi）發(fā)表了《比特幣——一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)》白皮書(shū)，這是革命性貨幣體系的組成部分，也是比特幣的規(guī)范協(xié)議。

2009年1月3日，隨著Satoshi發(fā)表了第一個(gè)實(shí)現(xiàn)該論文的Block# 0 Genesis Block，該白皮書(shū)開(kāi)始生效。這些代碼大部分是用c++編寫(xiě)的，并且是開(kāi)源的，可以在github上找到。

比特幣是什么？

比特幣建立在區(qū)塊鏈系統(tǒng)之上，純粹的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)將允許直接從一方發(fā)送到另一方的在線支付，而無(wú)需經(jīng)過(guò)金融機(jī)構(gòu)。

為什么是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)？

節(jié)點(diǎn)是運(yùn)行比特幣軟件（比特幣客戶機(jī)）的計(jì)算機(jī)。節(jié)點(diǎn)連接到其他計(jì)算機(jī)以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都相互連接，所以形成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的。節(jié)點(diǎn)之間相互通信，傳遞關(guān)于n/w其他部分的信息。

所以現(xiàn)在我們有了一組運(yùn)行比特幣軟件的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)連接在一起形成一個(gè)比特幣n/w。讓我們舉個(gè)例子。Alice想通過(guò)Bob的比特幣錢(qián)包發(fā)送5比特幣，這個(gè)錢(qián)包創(chuàng)建了一個(gè)交易，并將其插入比特幣的n/w節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行3個(gè)功能：

1. 遵循一套用比特幣客戶端軟件編寫(xiě)的規(guī)則。如：檢查這個(gè)人是否有足夠的余額來(lái)消費(fèi)，如果是，則接受該交易，如果沒(méi)有拒絕，則將其傳遞給其他節(jié)點(diǎn)。因此，只有有效的交易才會(huì)被代理。

2. 擅自進(jìn)行交易。有兩種類(lèi)型的交易是主動(dòng)的—最近進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的新交易，已確認(rèn)的交易，這些交易以塊的形式共享，而不是單獨(dú)的

3. 將已確認(rèn)的交易追加到其區(qū)塊鏈。

什么是區(qū)塊鏈？

區(qū)塊鏈可以看作是可以存儲(chǔ)為一個(gè)平面文件或一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)庫(kù)塊鏈。例如，比特幣的核心客戶將區(qū)塊鏈存儲(chǔ)在谷歌的一級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)。區(qū)塊鏈的特性：

1. 區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有數(shù)據(jù)（塊，稍后我們將看到每個(gè)塊是什么）和指向前一個(gè)塊哈希的鏈接。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都與之前的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了隱式鏈接，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)不可變，篡改會(huì)破壞鏈。

2. 去中心化。區(qū)塊鏈的副本存在于網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)上，就像公共分類(lèi)賬一樣。區(qū)塊鏈就像比特幣對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)上的BitTorrent文件一樣可以共享。

挖礦目的

n/w上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)內(nèi)存池，一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)緩沖區(qū)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)還有一個(gè)本地存儲(chǔ)到節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈。當(dāng)節(jié)點(diǎn)從其他節(jié)點(diǎn)接收到交易時(shí)，它將驗(yàn)證該交易并將其添加到內(nèi)存池中。最終目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)包含這些交易的塊，驗(yàn)證它們并將其添加到區(qū)塊鏈上。一旦交易被添加到區(qū)塊鏈中，它們就會(huì)被“確認(rèn)”，這就允許比特幣的新主人使用他們?cè)谶@些交易中收到的比特幣。

誰(shuí)創(chuàng)建了塊，誰(shuí)將交易添加到塊中——“礦工”。比特幣n/w中的任何節(jié)點(diǎn)都可以成為礦工。

1. 挖礦用于確保不使用欺詐性交易。例如雙重支出問(wèn)題。

2. 挖礦會(huì)產(chǎn)生新的比特幣，如果有新的區(qū)塊，就會(huì)產(chǎn)生新的比特幣，就像央行印新錢(qián)一樣。比特幣的數(shù)量是固定的，并隨著時(shí)間的推移而遞減。（這是用比特幣協(xié)議寫(xiě)的）。礦工提供比特幣n/w的處理能力，作為回報(bào)。

添加到內(nèi)存池中的交易將等待挖掘程序拾取。礦工創(chuàng)建一個(gè)新塊，將內(nèi)存池中的部分或全部交易（基于優(yōu)先級(jí)）添加到這個(gè)新的候選塊中，并與其他礦工競(jìng)爭(zhēng)，以解決一個(gè)基于加密哈希算法的數(shù)學(xué)難題。這個(gè)“工作量證明”問(wèn)題的解決方案包含在塊中，它可以作為采礦者花費(fèi)了大量計(jì)算工作的證明。第一個(gè)解決該問(wèn)題的礦工將獲得獎(jiǎng)勵(lì)，驗(yàn)證塊將被添加到區(qū)塊鏈中。采礦者可以從采礦中獲得兩種獎(jiǎng)勵(lì)——?jiǎng)?chuàng)造新代幣并給予采礦者交易費(fèi)。

新代幣的產(chǎn)生是固定的，并在不斷減少，2009年開(kāi)始是50比特幣，2012年減半至25比特幣，2016年減半至12.5比特幣，大約每四年減少一次。預(yù)計(jì)每10分鐘開(kāi)采一個(gè)新區(qū)塊。比特幣軟件對(duì)比特幣總量有一個(gè)最高限額，即2100萬(wàn)比特幣。所以到2140年左右，所有的比特幣都將發(fā)行，之后不會(huì)再發(fā)行新的比特幣。礦工只能從交易費(fèi)中獲利。

比特幣區(qū)塊鏈中的塊是什么？

礦工創(chuàng)建的每個(gè)新塊都有一個(gè)頭塊和一個(gè)主塊。所有選定的交易都添加到主塊中。

1. 上一個(gè)塊哈希。

2. 時(shí)間戳，創(chuàng)建此塊的日期/時(shí)間。

3. 難度目標(biāo)，為使塊生成時(shí)間保持在10分鐘以內(nèi)，難度目標(biāo)是一個(gè)可以自行調(diào)整的動(dòng)態(tài)值。

4. Nonce，一個(gè)初始化為0的計(jì)數(shù)器（稍后我們將看到它是什么）

5. Merkle root hash， Merkle tree是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于有效地總結(jié)塊中的所有交易。（我們將在接下來(lái)的博客中看到merkle樹(shù)是什么以及它是如何構(gòu)建的）。

挖礦過(guò)程

它使用SHA-256哈希函數(shù)。

挖掘的是塊頭的哈希，反復(fù)更改一個(gè)參數(shù)（nonce），直到得到的哈希小于或等于一個(gè)特定的目標(biāo)。

什么是難度目標(biāo)？

為了使塊生成時(shí)間保持在10分鐘，難度會(huì)相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。如果n/w查找塊的速度超過(guò)10分鐘，則難度增加，如果塊的查找速度較慢，則難度降低。您可以在power .cpp中的github上的reference erence實(shí)現(xiàn)中找到設(shè)置當(dāng)前難度的代碼。

工作量證明算法如何工作？

挖掘器負(fù)責(zé)構(gòu)造一個(gè)充滿交易的候選塊，哈希塊頭以查看它是否小于或等于當(dāng)前目標(biāo)，如果不是，則修改nonce（通常遞增1），然后重試，直到找到解決方案。挖掘需要大量的計(jì)算能力，因此現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)使用ASIC硬件，其中100 -1000秒的集成電路并行運(yùn)行SHA-256 algo。一旦找到一個(gè)解決方案，用于解決這個(gè)問(wèn)題的nonce就被插入到塊中的nonce字段中，節(jié)點(diǎn)立即將這個(gè)塊傳輸給它的所有對(duì)等節(jié)點(diǎn)。它們接收、驗(yàn)證（驗(yàn)證規(guī)則可以在CheckBlock和checkblockheader文件中找到）并生成新塊。當(dāng)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)周?chē)▌?dòng)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將其添加到自己的區(qū)塊鏈中，并將其擴(kuò)展到一個(gè)新的高度。

因此挖掘就是在這個(gè)塊上創(chuàng)建新的塊，聚集和添加的新交易，在這個(gè)塊之上運(yùn)行算法的證明可以找到這個(gè)問(wèn)題的答案，通過(guò)投資計(jì)算能力和預(yù)期回報(bào)（新生成的比特幣和交易費(fèi)用）宣傳這一塊。

為什么使用工作量證明算法？

工作量證明基本上確保了礦工不作弊，他們負(fù)責(zé)比特幣的生成和創(chuàng)建新的區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈。

我們無(wú)法相信網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)人都是誠(chéng)實(shí)的，因此，我們?nèi)绾未_保礦工不會(huì)通過(guò)在區(qū)塊中添加交易、給自己帶來(lái)比特幣，來(lái)創(chuàng)建對(duì)自己有利的區(qū)塊。它的工作原理是，你讓一群人都試著猜這道數(shù)學(xué)題的答案，沒(méi)有人知道誰(shuí)會(huì)先得到正確的答案。首先得到正確答案的人將獲得獎(jiǎng)勵(lì)，但前提是所有其他礦工同意接受該交易記錄（如果某個(gè)礦工明顯在創(chuàng)建欺詐性交易，那么其他礦工可以集體拒絕接受他們的貢獻(xiàn)）。這就是為什么創(chuàng)建一個(gè)新塊的過(guò)程被設(shè)計(jì)成能源密集型的原因，因此，創(chuàng)建每個(gè)新塊都有相關(guān)的成本。這就阻止了礦工們簡(jiǎn)單地創(chuàng)造出一大堆新的欺詐性區(qū)塊，并寄希望于這些區(qū)塊可能會(huì)被接受，因?yàn)檫@樣做的成本抵消了潛在的回報(bào)。如果要求每臺(tái)計(jì)算機(jī)在發(fā)送每封郵件之前花一分鐘處理PoW問(wèn)題，那么只有真正有消息的人才會(huì)同意花時(shí)間?；ㄙM(fèi)一分鐘的電腦時(shí)間對(duì)一個(gè)人來(lái)說(shuō)是非常低的成本，但是一個(gè)正在發(fā)送1000萬(wàn)封垃圾郵件的人卻等不起1000萬(wàn)分鐘。所以回到比特幣上來(lái)看，每一個(gè)礦工解決每一個(gè)區(qū)塊的機(jī)會(huì)是非常小的，因?yàn)榻鉀Q這些區(qū)塊需要花費(fèi)大量的努力，他們不能只是用解決方案向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送垃圾郵件。這意味著只有當(dāng)他們的貢獻(xiàn)被網(wǎng)絡(luò)接受時(shí)，他們才會(huì)被激勵(lì)去付出努力。