比特币挖矿是怎么运作的？

用通俗的话说，比特币挖矿是如何运作的？

想象一场用电力买票的彩票。每个矿工都会构建自己的候选区块，然后尽可能快地通过哈希运算买票。大多数票都不会中奖。大约每隔 10 分钟，世界某个地方就会有人抽中，将结果展示给所有人，然后大家又会从这个区块开始新一轮竞赛。

挖出一个区块要经过哪些步骤？

上方的动画会在区块 969,785 上演示这些步骤。下面用文字说明：

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   收集交易

   从内存池中取出等待处理的交易，按费率从高到低排列，并添加一笔向矿工支付奖励的 coinbase 交易。

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   构建默克尔根

   将交易两两配对进行哈希运算，再逐层向上处理，直到得到一个代表所有交易的哈希值。

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   填写区块头

   80 字节中的六个字段：版本、上一个区块的哈希值、默克尔根、时间、目标值和随机数。

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   进行哈希运算，修改随机数，再重复

   对区块头进行两次 SHA-256 运算。如果结果太大，就更改随机数再试一次。

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   哈希值低于目标值

   低于目标值的哈希就是工作量证明。其他节点只需计算一次哈希就能验证。

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   领取奖励

   区块加入区块链，coinbase 交易支付区块补贴和手续费。所有人接着处理下一个区块。

当 4.3 十亿个可能的 nonce 都试完后，矿工会改动 coinbase 交易中的一个备用字段。现代机器不到一秒就能试完这些 nonce。这样会生成新的默克尔根，也就有了一组新的 nonce 可供尝试。

比特币挖矿为什么这么难？

因为 SHA-256 无法预测。只要改变头部中的一位，哈希值就会完全改变，所以没有捷径。要找到胜出的哈希，唯一的办法就是不断尝试，而目标值的设置让整个网络大约需要 10 分钟。

如果有更多矿机加入，区块会在一段时间内更快产生。等到下次调整时，目标值会变得更难达到。如果矿工退出，目标值就会变得更容易达到。难度指南会实时追踪下一次调整。

我可以试着自己挖一个区块吗？

可以，就在这里。这个简化区块会在你的浏览器中进行真实的双重 SHA-256 运算。将难度设为 5 或 6 个前导零，看看需要的时间会增加多少：

每多一个前导零，难度就会增加约 16 倍。实际区块需要约 19 或 20。想了解哈希计算本身、如何逐字节编辑区块头，以及发动 51% 攻击需要什么，请看工作量证明。

比特币为什么需要挖矿？

比特币没有银行来决定哪笔付款先发生。挖矿负责这项工作。每个区块都会按顺序记录一批交易，而且每个区块都建立在前一个区块之上，因此要更改一笔较早的付款，就得重新完成此后所有区块的工作。这就是已确认的付款难以撤销的原因。

挖矿也是发行新比特币的方式，发行计划固定，每四年减半一次。奖励机制详见区块奖励和减半。

你能自己挖比特币吗？

如果你有专用 ASIC、廉价电力和一个 矿池，可以，但利润空间很小。手机或笔记本电脑的速度慢了数百万倍，根本起不了作用。

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常见问题

来源与延伸阅读

1. 《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》（白皮书） · 中本聪，2008
2. 区块链指南：区块头、默克尔树与工作量证明 · 比特币开发者文档
3. 挖矿指南：单独挖矿与矿池 · 比特币开发者文档
4. 区块哈希算法 · Bitcoin Wiki
5. 默克尔树 · Bitcoin Wiki
6. 难度 · Bitcoin Wiki

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