说点闲话
算了下，我大概有10天没有在币乎更文了，那这些天，我干什么去了？我觉得有必要跟大家聊聊。暂时离开币乎，不是因为我偷懒，不想写文章了，而是我想冷静下来，把自己学习区块链这2，3个月以来脑子里混乱的东西给理清楚。我想知道自己为什么要写文章？我学习区块链的目的是什么？我能够坚持多久？事实上，我不是一个喜欢随大流的人，所以我不会见到别人日更就去日更，我更不想为了写作而写作。好了，现在这几个问题，我都找到了我自己的答案，所以我回来继续写作了。关于那几个问题的答案，就暂时不细说了，我想说说我这些天干了什么。我去深入了解了几个我看好的项目，包括eos，gxs，qtum，btm；我还去体验了几个平台，包括，candy.one、pressone、iVeryOne、ONT。我还去把曾经学习过的区块链的书翻过来重新看看，去学习了GO语言的编程（很多区块链项目开发会使用）。
你所知道的工作量证明机制
说的稍微有点多了，现在正式进入到今天的话题比特币挖矿--工作量证明机制的底层原理到底是什么样的？说到挖矿和POW工作量证明机制，我相信有不少朋友都会知道一些，比如，比特币每10分钟会产生一个区块；矿工是根据解答一道系统给出的难题来获得记账的权利的，算力越高，获得记账权利的机会就越大。而我今天主要是想跟大家详细分析一下矿工们是如何竞争记账的，也就是说如何竞争解决这道难题的，以及这个经常被我们提及的区块（block）到底是什么样的？
我们都知道比特币的区块的产生是通过POW（Proof Of Work）工作量证明机制来完成的，整个网络平均10分钟就会产生一个区块，而且伴随着区块的产生，系统会奖励一定数量的比特币给在这个区块上记账的矿工。说道这里，请大家思考2个问题。
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问题一：系统奖励的比特币的数量是多少？是恒定不变的吗？
比特币的创世区块是在2008年，由中本聪挖出的，按照比特币白皮书的规定，每挖出一个区块，系统就会奖励50个比特币，每四年，奖励减半，到现在的话，奖励是12.5个比特币。注意：这里的每四年是一个大概值，实际上是说每挖出21万个区块奖励就减半，大家可以自己算算，挖出21w个区块的时间是3.99年，所以大致是每4年减半。 -
问题二：系统如何来判断谁拥有这个区块的记账权呢？
为了解决这个问题，比特币系统引入了POW共识机制，也就是工作量证明机制，这也是比特币系统的灵魂所在。这个算法很简单，就是系统出一道数学题，谁能够最先解答出来，谁就会产生一个区块，并在上面记账。其实这种机制，我们生活中处处可见，比如我们的各种考试，考证。它的原理是：既然监督你们工作的过程是非常低效的，那好，我不管你是去如何工作的，我根据考试的结果来判断你是否做了很多的工作。
工作量证明的基本原理
你做了一定难度工作产生了一个结果，系统根据结果来验证你是否做了相应的工作。大致流程如下：
图片来源：《区块链：定义未来金融与经济格局》
举个例子
给定的一个基本的字符串"Hello, world!"，我们给出的工作量要求是，可以在这个字符串后面添加一个叫做nonce的整数值，对变更后（添加nonce)的字符串进行SHA256哈希运算，如果得到的哈希结果（以16进制的形式表示）是以"0000"开头的，则验证通过。为了达到这个工作量证明的目标。我们需要不停的递增nonce值，对得到的新字符串进行SHA256哈希运算。nonce的初始值为0
"Hello, world!0" => 1312af178c253f84028d480a6adc1e25e81caa44c749ec81976192e2ec934c64
...............
"Hello, world!4249" => c004190b822f1669cac8dc37e761cb73652e7832fb814565702245cf26ebb9e6
"Hello, world!4250" => 0000c3af42fc31103f1fdc0151fa747ff87349a4714df7cc52ea464e12dcd4e9
结果是需要4251次运算才能解答正确，当然这里只是一个简单的例子，实际上比特币系统的机制与这个小例子类似，但是比它更复杂，也就意味着需要更大的算力才能成功解题。
实际的比特币系统中又是如何出题和解题的呢？
比特币采用的是SHA-256算法，这是哈希运算的一种。矿工要计算的工作量就是通过解决下面这个哈希函数的未知参数，大概数学公式是这样的。
Hash(上一个区块的Hash值，交易记录集，随机数X) = 0000a2a5FD6g
由于比特币网络中节点去生成一个区块是，总是基于目前存在的最新的区块，所以每个矿工在计算之前已经能够获取到上一个区块的所有信息，所以，Hash（）函数的前2个参数都是确定的，最后的值也是确定的，矿工要做的就是去做大量的尝试计算,找到一个随机数X，使得Hash的结果以若干个0开头，当然在每道题中0的个数不确定。哪个节点最先算出，就会产生一个新的区块，并记账。
下面是我从https://blockchain.info找的一个区块#516559，你可以看看Hash值，一共18个0，再看看这个Nonce随机数，可以看出这次解题是经过了数亿次运算才成功。
到这里，我们已经知道矿工们为了获取系统给出的比特币，就会去耗费自己的算力和电力来解决难题。这道难题的3个关键点是：工作量证明函数、区块、难度值。
工作量证明函数
工作量证明函数是指这道题的计算方法，在比特币的网络中是SHA-256。SHA是一种安全散列算法，主要用于数字签名。SHA-256是这个函数家族中的一员，它的特点是通过哈希算法运算之后，输出值为256位。到目前为止，还没有出现对SHA-256算法的有效攻击。
区块
区块的作用是记载比特币网络中合法的交易。区块包含的交易列表则附加在区块头后面，其中的第一笔交易是coinbase交易，这是一笔为了让矿工获得奖励及手续费的特殊交易。下面这张图是我自己画的一个关于区块的简图，比特币挖矿都是基于已存在的最新区块去生成下一个区块。区块主要由区块头和交易列表组成。
区块头的详细数据结构如下：
| 字段 | 描述 | 大小（byte） |
|---|---|---|
| Version | 版本号 | 4 |
| PrevBlockHash | 上一个区块的哈希值 | 32 |
| MerkleRootHash | 该区块中的所有交易通过Merkle Tree生成的Hash | 32 |
| Time | UNIX时间戳，也就是区块产生的时间 | 4 |
| Bits | 难度值，完成比特币工作量证明目标的难度系数 | 4 |
| Nonce | 随机数，为了找到满足难度目标所设定的随机数 | 4 |
区块包含的交易列表则附加在区块头后面，其中的第一笔交易是coinbase交易，这是一笔为了让矿工获得奖励及手续费的特殊交易。
所以一个完整的区块数据结构如下：
图片来源：《区块链：定义未来金融与经济格局》
难度值
难度值是矿工挖矿的难度指标，它表示矿工大概需要多少次哈希运算才能产生一个合法区块。我们已经知道比特币的区块大约每10分钟生成一个，而全网的算力是在不断变化的，比特币系统要让产生新区块的时间基本维持在10分钟，就得不断去调整挖矿的难度值。通过去不断的调整难度值，才使得新区块的产生平均保持在10分钟。
难度值的调整是在每个完整的节点中独立发生的，而且是每隔2016个区块（大概2周的时间）才会进行一次自动调整。具体来说就是实际挖矿的时常和期望时常（每个区块10分钟）相比较，如果产生区块的时常大于10分钟，就降低难度值，反之，则增加难度值。
这个公式可以总结为如下形式：
新难度值 = 旧难度值 * ( 过去2016个区块花费时长 / 20160 分钟 )
工作量证明还需要有一个目标值，计算公式如下：
目标值 = 最大目标值／难度值
最大目标值是固定的：0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
目标值是指当前区块生成所达成目标值的hash值，用来表示矿工的工作量证明，只有当矿工计算出来的hash值小于目标值，才表示挖掘区块成功。
通过以上内容，我们可以大致总结下比特币挖矿（工作量证明）的过程。通过不停的变换区块中的nonce随机数的值，并将它作为SHA-256哈希运算的输入，直到找到一个值，可以让运算之后的哈希值有指定个数的0为前导。0的个数越多，挖矿难度越大。
以下总结来自《区块链：定义未来金融与经济格局》
比特币挖矿，也就是解决这道工作量证明难题的步骤大致归纳如下：
1、生成Coinbase交易，并与其他所有准备打包进区块的交易组成交易列表，通过Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash
2、把Merkle Root Hash及其他相关字段组装成区块头，将区块头的80字节数据（Block Header）作为工作量证明的输入
3、不停的变更区块头中的随机数即nonce的数值，并对每次变更后的的区块头做双重SHA256运算（即SHA256(SHA256(Block_Header))），将结果值与当前网络的目标值做对比，如果小于目标值，则解题成功，工作量证明完成。
该过程可以用下图表示：
通过以上介绍，我们已经知道，矿工是如何去解题以及怎样才算是解题成功了。现在我们一起来思考一个问题。
Question
按照上面提到的Hash算法，只要矿工计算出来的区块的哈希值小于目标值，就算是完成了工作量证明，那么也就有可能差不多在同一时间，有2个以上的矿工都完成了工作量证明，并且把消息广播出去。那也就意味着同一高度可能存在多个区块，也就是说主链即出现分叉(Fork)，但是呢，肯定只能有一个区块来记账，那此时比特币系统又该如何判决呢？
如果遇到分叉时，网络会根据下列原则选举出Best Chain：
- 1、不同高度的分支，总是接受最高（即最长）的那条分支
- 2、相同高度的，接受难度最大的
- 3、高度相同且难度一致的，接受时间最早的
- 4、若所有均相同，则按照从网络接受的顺序
等待Block Chain高度增一，则重新选择Best Chain
产生分叉时，区块链大概是这样的。
从这幅图我们可以看出2点，第一：在同一高度可能会产生分叉（fork），第二：有一条最长的链（黑色的那条就是）。
这里就要稍微简单介绍一下比特币系统的最长链机制了。我们知道，每个新区块的产生是要基于一个以前的区块，而绝大多数矿工会选择最长链的最后一个区块来计算下一个区块，因为只有最长链上的区块才能获得比特币系统的认可，并得到挖矿的奖励。而其他的分支则是无效分枝，不能得到任何奖励，只能白白的浪费自己的算力和电力。这是保证区块链不发生分裂的重要机制。
所以现在会有很多矿工会选择抱团组成矿池，这样才能保持长期成为最长分支。
最后一步，验证机制
在节点（矿工）完成工作量证明（也就是找到满足指定哈希值的随机数nonce）之后，会马上对全网进行广播，网络的节点收到广播打包区块，会立刻对其进行验证。如果验证通过，其他节点（矿工）将不再竞争打包这个区块，而是选择接受这个区块，并将打包后的数据记录在自己的账本中，然后继续进行下一个区块的竞争答题中。
感谢以下作者
https://www.cnblogs.com/tinyxiong/p/7791538.html
http://8btc.com/article-160-1.html
http://www.infoq.com/cn/articles/bitcoin-and-block-chain-part02
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