比特币挖矿机怎么挖矿 深入理解PoW共识

前言

在上一篇文章中，我简单介绍了区块链应用中常用的几种共识机制。 本文将重点介绍区块链之一的PoW共识机制及其实现原理和代码实现。

PoW（Proof of Work）工作量证明，其核心设计思想是提出一个计算复杂值的运算过程。 用户通过一定的计算和消耗一定的时间计算出一个满意的值，提供给服务方快速验证，防止服务被攻击，数据资源被滥用比特币挖矿机怎么挖矿，保证公平和数据交易的安全性。 该概念最早由 Cynthia Dwork 和 Moni Naor 于 1993 年在学术论文中提出，工作量证明一词于 1999 年由 Markus Jakobsson 和 Ari Juels 发表。2008 年，这种工作量证明技术被应用于比特币区块链系统。 迄今为止，PoW技术在区块链中发挥着至关重要的作用，也成为加密货币中主流的共识机制之一。 一种，像比特币、以太坊等都在使用。

技术原理

工作量证明的核心技术原理是哈希函数（hash）。 哈希函数的特点其实就是将任意长度的数作为输入，经过哈希函数运算后得到一个固定长度的值输出。 这个值就是哈希值（hash value）（下次我会写一篇关于Hash函数实现原理和加密算法内容的文章）。

在比特币中，PoW 的工作其实就是如何计算一个区块的目标哈希值，让用户进行大量的穷举计算，同时哈希值必须满足一些必要的条件。 其实chain就是一个难度系数值。 计算出的哈希值是否符合前N位全为0的事实，最终实现工作量证明。

例如：

比如现在给出一个固定的字符串“Hello, blockchain”，现在需要计算的难题是将这个字符串和一个随机数（Nonce）拼接起来，通过SHA256哈希计算出一个固定的256位哈希值，如果计算结果前5位全为0，则认为满足计算条件，得到的随机数（Nonce）值证明是工作量证明的有效随机数。

PoW算法在区块链中的实现过程：

先定义一个固定的256位长度的初始数，例如：长度为256个字符0000...0001（32个字节，64个字符）

设置难度系数值，例如：如果定义难度系数为前4个0，即16位长度（0000 0000 0000 0001 = 4个字符 = 2个字节）

根据难度系数值进行移位运算，扩展Hash工作量值，向左移位（256-难度系数N位）。 例如：将初始数 0000...0001 左移（256-16 位）得到：0000 0000 0000 0001 0000 … 0000。

将随机数Nonce递增1并加上区块头（Block Header）Hash值拼接，然后进行SHA256 Hash运算。 什么是区块头？ 区块头（Block Header）是工作量证明的输入。 一个区块包含区块头和区块交易数据。 区块头包含一串哈希值。 这串Hash值是由Merkle Tree算法生成的（下次我会专门写一篇文章来讲Merkle Tree算法的实现）

将计算结果值与当前难度系数目标值进行比较。 如果当前计算值大于难度系数条件值，则继续增加Nonce值，进行下一次SHA256 Hash运算，直到计算结果Hash值小于目标值，则认为问题的解是成功的。 本次完成工作量证明并获得记账权，然后将交易区块打包确认并广播给所有节点，并从Coinbase获得gas奖励

下面是代码实现：

调整计算难度系数（调整前N个零）与计算效率的对比

计算难度系数分别为16位（前面4个0）、20位（前面5个0）、28位（前面7个0）用于对比测试。

双核CPU负载情况下：

得出结论：

如果要求Hash值前面的N位0更大，也就是它的计算难度更大，每多一位0，计算量就变大很多倍。如上图所示，当要求计算前面的难度值时，要求N位为7位和0时，计算次数将达到5.6亿次，因此工作量非常大，几乎不可能作弊。

PoW矿机进化史

就比特币挖矿而言，主要经历了4个阶段：

CPU挖矿→GPU挖矿→专业矿机挖矿→矿池挖矿

2009年比特币挖矿机怎么挖矿，比特币创始人中本聪通过个人电脑的CPU挖出了第一个创世区块。 一开始，计算能力比较小。 后来随着比特币的普及，节点越来越多，难度也越来越大。

2010年推出第一款显卡挖矿软件。 一个GPU的计算能力就是几十个CPU的计算能力。 通过GPU挖矿，实际算力得到大幅提升。

2013年，南瓜张（中国比特币四大天王之一）基于矿机专用芯片Avalon开发出第一台FPGA矿机（南瓜机）。 新时代。 2013年下半年，矿机进入百花齐放的市场竞争期，一大批ASIC矿机厂商如雨后春笋般涌现。

随着越来越多的矿机加入挖矿，单个矿机很难挖到比特币，所以个体矿机聚集在一起形成矿场和矿池。 其规则是：无论个体矿工使用多少算力，只要通过加入矿池组织参与挖矿活动，无论是否成功挖出有效区块，都可以通过自己的矿池获得一定的收益。对矿池的贡献。 比例奖励，即多人合作挖矿，获得的比特币奖励也按照贡献比例进行分享。

目前全球算力排名前五的比特币矿池分别是：AntPool、BTC.com、BTC.TOP、ViaBTC、F2Pool。 目前，全球约70%的算力掌握在中国矿工手中。

随着区块链应用的发展，矿机不再只是一种赚钱的工具，未来更多的将被定义为一种智能机器。 它是一种基于算法的自动化架构，其核心也是基于区块链共识机制。 既定的技术架构。

PoW 的优点和缺点

优势：

安全性高，抗攻击能力强。 由于参与节点数量众多，攻击者必须投入总算力的51%以上才能保证篡改结果，这使得攻击成功的成本非常高，难以实现。

体现公平，多劳多得，投入的算力越多，获得记账权的概率按比例增加。

缺点：

它消耗大量能量。 由于计算能力依赖于计算机硬件（CPU、GPU等），因此需要消耗大量的电能。

由于计算时间长，获得记账权的等待时间会更长，交易确认周期也会更长，影响交易区块的生成效率。 目前每10分钟只产生一个区块。 对于一些商业项目的应用是不合适的。

概括

本文主要深入理解PoW共识机制的技术实现原理，难度系数对算力的影响，以及使用PoW技术挖矿的发展历程。 最后，也指出了 PoW 的优缺点。

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