1分钟了解“挖矿”的本质

Posted 2020-11-03 海小鑫

 

上一篇《1分钟了解区块链的本质》，介绍了什么是区块链，区块链是一个没有管理员，每个节点都拥有全部数据，高可用的分布式存储系统。

 

文章的留言里，不少朋友会用比特币来解释区块链，那区块链与比特币是什么关系？

答：区块链是分布式存储，比特币是基于该存储的应用，其他诸如莱特币，以太币都是基于区块链的电子货币应用。理论上，使用上层应用来解释底层存储是不合适的。

如上图，mysql是底层存储，wechat是上层应用，用wechat来解释mysql是不合适的。

 

今天，从技术的角度出发，聊聊什么是区块链里的“挖矿”。

 

先说结论，区块链挖矿的本质是啥？

答：生成一个区块，链入区块链的过程，就是挖矿。挖矿的人，就是矿工。

 

什么是区块（block）？

答：如《1分钟了解区块链的本质》里所述，区块是一块存储空间，可以存储数据。

如上图，区块分为区块头（header）和区块体（body）。

 

区块体（body）存了些什么？

答：想存什么存什么，和上层应用有关，就像mysql里存什么依赖于上层应用。例如比特币使用的区块链，区块体里存储的是比特币交易记录。

 

区块头（header）存了些什么？

答：区块头里存储了和这个区块，以及区块链相关的一些元数据。

如上图，区块头里的三个常见属性：

• 前一个区块的哈希值

• 区块生成的时间戳

• 随机数

 

什么是区块链（blockchain）？

区块是怎么链起来的？

答：

struct node{

         node* prev; // 前一个节点

         int time; // 时间戳

         int nonce; // 随机数

         void* node_body; // 存储数据

}node;

链表，节点指针可以作为这个节点的唯一标识，下一个节点通过存储上一个节点的指针，将链表链起来。

 

与之类似，区块的哈希可以作为区块的唯一标识，下一个区块通过存储上一个区块的哈希，将区块链起来，这就是区块链。

 

讲完区块与区块链的概念，接下来讲挖矿，也就是区块的生成。

在此之前，先说说区块链的三个特性：

• 历史生成的区块是无法改变的，即“区块链只能像写日志一样追加写，不能像mysql一样随机写”

• 只能在最新的区块后面生成新区块，即“必须先完成同步全网最新的区块链数据这项工作，才能启动新区块生成这项工作”

• 新区块的生成很难，必须满足一定条件的新区块才有效

 

假如已经同步了最新的区块链数据，要满足什么条件，才算生成一个新的区块，才算“挖矿”成功呢？

答：对最新的区块头进行两次SHA256计算，得到的256bit哈希结果，高位48bit必须是0x00000000FFFF，才算挖矿成功。

画外音：这句话很重要，是这篇文章的核心。

 

为什么大家都说“挖矿”很难？

由符合条件的哈希值，倒推出区块头，填入相应的“前一块区块哈希值”“时间”“随机数”不就可以了吗？

答：额，这，，，哈希（SHA256是一个哈希算法）是不可逆的。例如MD5

md5(string) = md5_result

大家都知道：

• 由字符串，算出对应的md5值很容易，但由md5值反推出字符串是不可能的

• 可以认为哈希的结果是完全随机的，要得出前48bit必须是0x00000000FFFF的哈希结果，就如同连续抛48次硬币，每次都得到我们想要的结果，其概率为(1/2)^48

 

可以看到，这就好比在一座山上随手捡起一块石头，正好是一块金子，我猜测，这也正是把生成新区块叫做“挖矿”的原因。

 

那应该怎么找到符合条件的区块头呢，从而成功挖到矿呢？

答：穷举法。

 

区块头里有个随机属性nonce，将这个属性从0开始，遍历到2^32，来计算区块头的哈希值，如果得到的哈希结果符合条件，则挖矿成功。

 

其伪代码如下：

byte[32] = PrevBlockHash; // 上一个区块的哈希

for(int i=0 to 2^32){ // 遍历所有整数

  int time=now(); // 时间戳

  blockHeader= new(byte[32], time, i); // 生成区块头

  hashResult= SHA256D(blockHeader); // 计算哈希值

  if(hashResult>>208 == 0x00000000FFFF){ //哈希符合预期

    echo“bingo”; // 挖到矿啦

}

}

 

看上面的算法，只要程序运行时间足够久，总能挖到矿呀？

答：错，如果别人计算能力强，在你挖到矿之前，如果别人先生成了新区块，广播到了区块链网络，你本地不是最新的区块链，你挖到的矿就作废啦，此时你要放弃之前所有的工作，先向网络同步最新的数据，再重新开始挖。

 

有什么方法可以提升挖矿的速度呢？

答：从架构的角度出发

• “缓存”是无效的：每个区块的哈希值都不一样，每个时间戳都不一样，历史计算过的值无法通过“查表”来节省时间

• scale up是有效的：增强单CPU的计算能力，使用GPU代替CPU，使用特殊的芯片计算SHA256D等优化都是有效的，但scale up总是有极限的，单机总会遇到瓶颈

• scale out是有效的：单机不行，来并行，一台机器不行，搞集群，这就是为什么会有这么多的矿场

如上图，这是西藏高原上的一个比特币矿场，廉价的电力让无数矿工趋之若鹜。

 

综上，区块链里，什么是挖矿？

答：在最新区块链的数据上，生成一个符合条件的区块，链入区块链的过程，就是挖矿。

 

关于区块链与挖矿，大家或许还有不少疑问：

• 如何保证数据的一致性

• 这TM有病吧，挖这玩意有什么意义，不是纯浪费电吗

• 这和比特币有什么关系

• 比特币怎么保证总量有限

• …

这些疑惑，下一个一分钟，再和大家解释。

 

希望这很短的一分钟，大家了解了挖矿的本质。

 

转载于： 架构师之路 公众号