比特币基础课程5——什么是比特币挖矿？

第0章介绍

在上两篇文章中，我们重点介绍了比特币交易的概念。 当用户发起比特币交易时，通过矿工挖矿最终被纳入比特币区块链。 那么什么是挖矿？

第一章比特币世界的会计

在了解什么是挖矿之前，我们先来了解一下银行在我们日常经济活动中的一项业务。 我们用银行账户进行汇款、取现、网银支付，银行都会记在我们的账户里，银行就是我们的会计。 正是因为银行可以帮助全国人民记账，人民币货币体系才能正常运行。 为用户记账是银行最基本的职能。

比特币也是一种货币系统。 用户使用比特币进行支付。 谁来帮用户记账？ 谁来充当比特币世界的“银行”？ 答案是矿工。

我们知道银行有一整套的软件来帮我们记账，我们要雇一帮会计来对账，我们还得买很多电脑来运行这些软件，让会计来做和解。 比特币世界中的挖矿工具本体是一个什么样的物理实体？ 他们不是怪物。

第 2 章矿工的样子

通过本系列的第一篇文章，我们知道比特币是一个点对点的分布式计算系统。 在那篇文章中我们提到了最简单的比特币模型，它是由10台计算机组成的点对点分布式计算系统，这就是比特币系统。 这里的10台电脑都是矿工，当然也都是用户。

也就是说，在最简单的比特币系统中（中本聪刚发明比特币时，只有少数人使用比特币，是当时最简单的比特币系统），矿工就是一台简单的PC。 矿工的硬件是PC挖比特币是怎样挖出来的，软件是比特币钱包。 不需要人工对账，一切都由网络自己保管，永远不会有任何问题，也没有人工对账的必要和可能。

现在比特币系统已经进化到非常复杂，矿工玩的已经不是简单的电脑，而是专业硬件开发商制造的矿机。 下图是矿机：

这些矿机本质上还是计算设备。 里面的电路板布满了计算芯片，它们就像我们个人电脑的CPU一样在不停地计算。 稍后我们将讨论它在做什么。

有些人大量使用这种矿机来建造一个巨大的矿场，如下图所示：

因为矿机需要消耗电能来计算，所以有人把水电站承包出去挖矿，用一排排的工厂来安放矿机，非常疯狂。 如果你以前从没见过矿机，现在让你参观一个矿场，你会大吃一惊。

挖矿软件也变得更加复杂。 最简单的比特币系统模型只需要一个钱包，但现在需要矿池和钱包一起运作。

第 3 章矿工在做什么？

在第 1 章中，我们提到矿工实际上在做类似于银行的事情——记账。 在本章中，我们将详细描述这些疯狂的硬件和软件矿工正在做什么。

我们先说一个我们生活中类似的案例来打个比方。 一家公司的会计、出纳，每天都会收集员工的报销单据，然后将它们一一整理填入台账，堆入公司的账务保管室。

同样，比特币世界也是如此。

我们一般用户使用比特币发起交易，一笔交易本质上就是200到500k左右的数据。 用户将交易广播到比特币网络，矿工节点接收交易。 矿工会将他收到的交易打包成一个称为区块的数据块。 目前这个数据块的平均大小是1M，一般可以包含几百到几千笔交易。 每一个新打包的区块都会与前一个区块进行拼接，这样整个区块数据块就形成一条链，这就是区块链。

矿工就是这么做的，收集用户发起的交易，打包成区块，拼接成区块链。

这个区块链是比特币系统中的总账。 任何使用比特币交易的人都会被记录在这个账本中，这个记录的工作交给矿工来完成。 采集、打包、拼接全过程由软件自动完成，无需人工干预。 目前这条区块链的数据量已经超过80G，从第一笔比特币交易到现在，总共收集和记录了超过1.5亿笔交易。

当然，矿工也会验证交易的合法性，谁发起的欺诈交易是骗不了矿工的。 但矿工的核心工作是记账。

第四章矿工为什么要做账？

上文提到挖比特币是怎样挖出来的，矿机运行需要消耗电力，甚至有人承包了整个水电站来运行矿机，成本非常高。 而且矿机本身非常昂贵。 我们五六千元买一台好的PC，图片上的矿机是几千元。 为什么会有人花这么多钱挖矿？ 对他有什么好处？

有很大的好处。

为了鼓励人们挖矿，比特币系统制定了一个规则：只要你遵守规则，成功抢到记账权，系统就会奖励你一些比特币。 （这个“一些”在2009年本来是50个比特币，然后平均减半了四年半，2012年变成了25个比特币，现在变成了12.5个比特币。）这就是所谓的区块奖励。

参与挖矿的人为了抢夺这个区块奖励，大量购买矿机，甚至直接购买水电站挖矿。

此外，区块奖励也是比特币发行的一种策略。 世界上所有的比特币都是从区块奖励中诞生的。 又因为奖励每四年半减半，到2140年，理论上比特币总量将无限接近2100万枚。 当然，因为早期会有大量的人因为不在乎比特币而丢失比特币，所以最终的问题肯定不会达到2100万。

现在的问题是，系统如何决定将区块奖励发送给哪个矿工？

第五章 为什么要奖励区块奖励？

我们根据学业成绩颁发奖学金。 为什么矿工会获得区块奖励？

说来也怪，跟运气关系很大。

比特币系统的记账权是要比拼的，而比拼的规则其实很简单，就是大家抛币，谁先抛出符合规则的硬币序列，谁就获胜。 这是矿机计算的核心内容。 矿机计算的本质是抛硬币。

比特币矿机计算的专业术语是计算区块头信息的哈希值小于某个值的个数。 它本质上是一个随机数。 谁先计算出这个数字，谁就可以获得比特币网络的记账权。 还可以获得区块奖励和相应的交易转账手续费。

可以这样理解，挖矿的计算过程，比特币系统每隔10分钟就会出一道题，这道题是让大家抛硬币，获胜规则是，连续抛多少次正面朝上算一场胜利。

因此，谁的计算设备抛币速度快，谁就能抢到比特币的区块奖励。 这种抛硬币的速度称为计算能力。 所以也不能说靠运气，还得靠实力，虽然这个实力是由抛硬币之类的机缘组成的。

目前全世界玩这个投币游戏的电脑每秒可以投币1.6*10^18次方。 它非常非常大。

矿工抛硬币，系统验证你是否正确的过程称为工作量证明，也就是比特币世界中经常提到的 POW。 我们下一篇科普文章会解释这个概念。

第六章结论

比特币是建立在一系列概念和技术基础上的系统。 不难理解，只要慢慢理解每个概念就OK了。