第四期 挖矿的相关算法（2）

卡酷少

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看过（1）篇，相信你一定对挖矿的机制有了一点了解。那么本篇，我们来一起看一下挖矿中涉及的算法。

在本篇文章中，如果在前半篇你遇到了不理解的词汇，也许在文章的后半段就会给出答案。另外本篇主要是零散知识点的介绍，逻辑上不会有那么强。最后关于不理解的部分欢迎大家在文章下面留言，我会及时给出答复。

区块链的区块到底是什么？

• 挖矿是为了生成一个区块，那么区块到底是什么？区块的作用又是什么？一个区块又包含了哪些信息呢？
• 简单理解的话，一个区块可以理解为一个结构体。我们知道结构体可以存储不同类型的信息，这些信息可以是字符串，可以是数字，也可以是日期。那一个区块里包含了哪些信息呢？这里我们给出一张图来，先来了解一下区块信息有哪几大类。
• 图1

如图一个区块中信息按类别划分，主要分为的这四大类，这点大家做为了解即可。其中区块头包含了如下信息，这些信息也是真正有作用于生成区块的信息，我们来列举其中的重要项：

• index（记录当前是第几个区块）
• current hash（当前哈希值）
• previous hash（承接的上一区块的哈希值，可保证区块按时间串联）
• timestamp（时间戳，记录该区块的生成时间）
• data（交易详情，详细记录了每笔交易的转出方和收入方，金额及数字签名）
• nounce（随机数，即全网矿工一起pk计算的的，能满足哈希难度要求的答案）

其中希望大家先对nounce值有个印象。这个nounce值不仅与挖矿有关，也在之后的代码实现中有非常重要的身份。

• 下图给出一个简单的列表：
• 图2

什么是哈希和哈希值？

• 为理解挖矿的代码机制，首先解决几个概念。第一个就是“哈希”。
• 在上一篇挖矿中我们提到了算力。也说到算力就是一台矿机每秒钟能做多少次哈希碰撞。那么，什么是哈希，什么又是哈希碰撞呢？
• 简单理解的话，哈希就是一个函数。哈希碰撞的本质，就是cpu在随机穷举数值的过程中，不断寻找能够生成匹配现阶段比特币“难度”条件的数值。一旦找到这个数值，那么就产生了一次成功的哈希碰撞。
• 现在你一定很好奇哈希是一个什么样的值呢？我们通过hash算法 ==SHA256== 来测试一下。这里提供一个网址，感兴趣的同学可以跟我一起做一些测试。

link

• hello

• helloworld

• hello world

• hello，world

• 测试之后，我们可以发现，哈希函数有一些非常独特的特征：

1. 任意内容都可以生成哈希值。
2. 哈希值为十六进制表示的数，且长度固定。
3. 不同的内容生成不同的哈希值。哪怕非常相似的内容生成的值也完全不同，且无规律可循。
4. 相同的内容每次都会输出相同的哈希值。

• 通过对比”hello”，”helloworld”，“hello world”和“hello，world”的输出结果，可以验证验证我们对于哈希算法的总结。感兴趣的同学可以再验证别的数值，你会发现，无论多么微小的差别，都会导致哈希值完全无迹可寻的改变。
• 也正是哈希值的这些特点，赋予了其加密信息时更高的安全性。比如“公钥”“私钥”，以后我们会做出介绍。

有关挖矿的“难度”

• 最后一个概念就是挖矿的难度。这里的难度，由浅及深，我们先举个例子来理解它的原理。

• 如图所示，比如我们将一个5位数进行排列组合，分个十百千万位。假如第一个排列组合，我指定万位和千位都是5，其他位数不限；第二个排列组合，我只指定万位为5，那么得到谁的几率大，得到谁的几率小呢？
• ——答案是第一个概率小，第二个概率大。因为被限定的个数越多，其他可选的可能性也就越少了。
• 同理，挖矿就是去匹配已经被指定了位数的哈希值。而挖矿的“难度”，就是由被指定位数的多少来决定的。这和被指定的是十六进制下的哪个数无关。

• 如上图框内所示，当哈希值难度设定了前四位为“0”的时候，只有当匹配上前四位为“0”的时候，才产生了一次成功的哈希碰撞。如果设定的“0”的个数越多，那么哈希成功的难度也越大，挖矿的难度也就越大。
• 在比特币最开始的时候，难度是很小的，只有第一位为“0”及碰撞成功。那是的挖矿是非常简单的。而现在随着全网算力的增加，挖矿的难度也大大，现在的哈希难度已经是十几个“0”了。哈希的难度的设定也不是人为操作的，区块链系统会根据当前全网的算力做出调整，将难度保持在能够每10分钟生成一个区块的程度。