上一期我們講了關於區塊鏈的基本知識，鏈接在這 ，今天我們就來講一下區塊鏈關於挖礦的知識。
一、挖礦和礦工
在上一期我們已經說了，區塊鏈是由很多個節點組成的，為了保證節點之間的同步，所以每一個新區塊的添加速度不能太快。試想一下，你剛剛同步了一個區塊，準備基於它生成下一個區塊，但這時別的節點又有新區塊生成，你不得不放棄做了一半的計算，再次去同步。因為每個區塊的後面，只能跟著一個區塊，你永遠只能在最新區塊的後面，生成下一個區塊。所以，你別無選擇，一聽到信號，就必須立刻同步。
所以，區塊鏈的發明者中本聰（這是假名，真實身份至今未知）故意讓添加新區塊，變得很困難。他的設計是，平均每10分鐘，全網才能生成一個新區塊，一小時也就六個。
這種產出速度不是通過命令達成的，而是故意設置了海量的計算。也就是說，只有通過極其大量的計算，才能得到當前區塊的有效哈希，從而把新區塊添加到區塊鏈。由於計算量太大，所以快不起來。
這個過程就叫做採礦（mining），因為計算有效哈希的難度，好比在全世界的沙子裡面，找到一粒符合條件的沙子。計算哈希的機器就叫做礦機，操作礦機的人就叫做礦工。
二、難度係數
讀到這裡，你可能會有一個疑問，人們都說採礦很難，可是採礦不就是用計算機算出一個哈希嗎，而計算也正是計算機的強項啊，怎麼會變得很難，遲遲算不出來呢？
原因為不是任意一個哈希都可以，只有滿足條件的哈希才會被區塊鏈接受。這個條件特別苛刻，使得絕大部分哈希都不滿足要求，必須重算。
因為每一個區塊都包含了一個難度係數（difficulty），這個值決定了計算哈希的難度。舉例來說，第100000個區塊的難度係數是 14484.16236122。我們也可以將difficulty簡單的可以理解為：挖到數據區塊的所用時間多少。
同時難度值 difficulty的計算公式為：難度值 = 最大目標值 / 當前目標值
那什麼是目標值：目標值是當前區塊生成所達成目標值的hash值，用於礦工的工作量證明。礦工挖掘的區塊的頭部hash值必須小於目標值，數據區塊才能被挖掘成功。
當前目標值是指現在產生數據區塊的頭部信息hash值參考指標。最大目標值是一個定值：0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF。
由於只有小於目標值的哈希才是有效的，否則哈希無效，必須重算。由於目標值非常小，哈希小於該值的機會極其渺茫，可能計算10億次，才算中一次。這就是採礦如此之慢的根本原因。
上一篇文章也說過，當前區塊的哈希由區塊頭唯一決定。如果要對同一個區塊反覆計算哈希，就意味著，區塊頭必須不停地變化，否則不可能算出不一樣的哈希。區塊頭裡面所有的特徵值都是固定的，為了讓區塊頭產生變化，中本聰故意增加了一個隨機項，叫做 Nonce。
Nonce 是一個隨機值，礦工的作用其實就是猜出 Nonce 的值，使得區塊頭的哈希可以小於目標值，從而能夠寫入區塊鏈。Nonce 是非常難猜的，目前只能通過窮舉法一個個試錯。根據協議，Nonce 是一個32位的二進制值，即最大可以到21.47億。第 100000 個區塊的 Nonce 值是274148111，可以理解成，礦工從0開始，一直計算了 2.74 億次，才得到了一個有效的 Nonce 值，使得算出的哈希能夠滿足條件。
運氣好的話，也許一會就找到了 Nonce。運氣不好的話，可能算完了21.47億次，都沒有發現 Nonce，即當前區塊體不可能算出滿足條件的哈希。這時，協議允許礦工改變區塊體，開始新的計算。
三、難度係數的動態調節
正如上一篇所說，採礦具有隨機性，沒法保證正好十分鐘產出一個區塊，有時一分鐘就算出來了，有時幾個小時可能也沒結果。總體來看，隨著硬件設備的提升，以及礦機的數量增長，計算速度一定會越來越快。
為了將產出速率恆定在十分鐘，中本聰還設計了難度係數的動態調節機制。他規定，難度係數每兩週（2016個區塊）調整一次。如果這兩週裡面，區塊的平均生成速度是9分鐘，就意味著比法定速度快了10%，因此接下來的難度係數就要調高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%，因此接下來的難度係數就要調低10%。
難度係數越調越高（目標值越來越小），導致了採礦越來越難。
但是，有人會問，區塊鏈是一個去中心化的，這個難度是由誰來調節的呢？難度的調整是在每個完整節點中獨立自動發生的。每2,016個區塊中的所有節點都會調整難度。難度的調整公式是由最新2,016個區塊的花費時長與20,160分鐘（兩週，即這些區塊以10分鐘一個速率所期望花費的時長）比較得出的。難度是根據實際時長與期望時長的比值進行相應調整的（或變難或變易）。簡單來說，如果網絡發現區塊產生速率比10分鐘要快時會增加難度。如果發現比10分鐘慢時則降低難度。
這個公式可以總結為：
New Difficulty = Old Difficulty * (Actual Time of Last 2016 Blocks / 20160 minutes)
四、礦工的收益
既然挖礦不容易，為什麼有人願意做礦工呢？以比特幣舉例。
一是交易的確認離不開礦工。
二是比特幣協議規定，挖到新區塊的礦工將獲得獎勵，一開始（2008年）是50個比特幣，然後每4年減半，目前（2018年）是12.5個比特幣。這也是比特幣的供給增加機制，流通中新增的比特幣都是這樣誕生的。
你可能看出來了，每4年獎勵減半，由於比特幣可以分割到小數點後八位，那麼到了2140年，礦工將得不到任何獎勵，比特幣的數量也將停止增加。這時，礦工的收益就完全依靠交易手續費了。
所謂交易手續費，就是礦工可以從每筆交易抽成，具體的金額由支付方自願決定。你完全可以一毛不拔，一分錢也不給礦工，但是那樣的話，你的交易就會沒人處理，遲遲無法寫入區塊鏈，得到確認。礦工們總是優先處理手續費最高的交易。
目前由於交易數量猛增，手續費已經水漲船高，一個區塊2000多筆交易的手續費總額可以達到3～10個比特幣。如果你的手續費給低了，很可能過了一個星期，交易還沒確認。
一個區塊的獎勵金12.5個比特幣，再加上手續費，收益是相當可觀的。按照目前的價格，可以達到75萬人民幣左右。想想看，運氣好的話，幾分鐘就能挖到一個區塊，拿到這樣一大筆錢，所以人們才對挖礦趨之若鶩。
五、總結
一句話，礦工存在的原因的就是目前現在的收益大於自己的成本，有利可圖這才是人性。
今天的文章就寫到這裡了，明天來寫區塊鏈的代表貨幣比特幣，
閱讀更多 這湯不熱 的文章
