挖掘比特币: 了解哈希与工作量证明机制 (PoW)

了解比特币来源十分简单，你可以自己挖矿或接收他人转移。而这两种途径的根本来源还是挖矿。因此，本文将首先讨论挖矿的基本知识：哈希和工作量证明。

早期，中本聪通过挖矿获取了最初的50枚比特币。而现在我们也常听说，比特币是由挖矿产生的。实际上，挖矿是一种比喻，意思是解决一个非常复杂且难以解答的数学难题。

由于这个解题过程类似开采矿物资源，并且需要耗费大量电能，因此人们将其称为“挖矿”，而参与解题的人则被称为“矿工”。比特币的第一个区块由中本聪创立，他因此获得了50枚比特币的奖励，可以说是比特币的第一个矿工。

根据比特币系统设定，其总量恒定为2100万个，并每隔四年减半。2009年时，中本聪挖矿所获的奖励为50枚比特币，如今近十年过去了，比特币已经历了两次减半，从50减至25，再减至12.5。因此，目前创建新区块的奖励为12.5枚比特币。

有些人可能会问，比特币每四年减半，矿工所获比特币奖励岂不是越来越少?那么是什么驱使他们继续挖矿呢?实际上，矿工的收益并非仅限于挖矿奖励，还包括交易手续费。

当你与他人进行比特币转账时，需要支付一定比例的手续费给矿工。当然，手续费是自愿的，你想给多少都可以。如果不支付是否可以呢?答案是可以，但矿工会优先处理手续费较高的交易，如果你不支付手续费，你的交易可能会被推迟处理。

如今，通过交易平台或钱包软件进行比特币交易，手续费的比例会根据你的账户状况自动生成一个合理比例，无需用户额外操作，所以很多人可能感觉不到支付给矿工的手续费存在。

矿工想要获取丰富的挖矿奖励和交易费，易如反掌吗?答案并非如此，而且他们的劳动是有成本的，切勿低估他们的成本。其中，电费是最大的成本支出。

我们曾提到，挖矿就是解决一个非常复杂且难以解答的数学难题，而解答的方法则是通过“哈希运算”，答案则是“哈希值”。

哈希运算是什么?简单来说，就是将交易信息(包括时间戳等所有信息)打包并“编码化”，然后进行复杂的计算，得出哈希值。

虽然哈希是一个密码学概念，但我们也可以将其理解为数学函数题目。不过，它与普通数学函数题目略有不同：数学函数题目中的x和y可以双向转换，知道x就能求出y，知道y也能求出x;然而，哈希函数是单向的，知道x可以求出y，但知道y无法求出x。

为什么选用哈希函数呢?这与比特币系统的安全性密切相关。比特币系统是一个庞大且持续更新的账本，该账本对所有人开放，这就涉及到了个人隐私泄露的问题。

哈希函数的“单向性”确保了账户主体的隐私安全，即使其他人知道你的交易信息，也无法得知你是谁，无法找到你的个人信息。哈希函数的“单向性”使得比特币具有很好的匿名性，这也是为何暗网偏爱使用比特币进行交易的原因之一。

使用哈希函数来保护隐私确实是个好办法，但是计算哈希值的过程非常困难。此外，对于比特币来说，随着每四年产量减半，难度也会越来越大。

困难程度有多大呢?哈希值并没有固定的算法，只能依赖计算机进行随机的哈希碰撞，只有碰撞成功才能视为正确答案。

所以，挖矿对计算机的计算能力要求极高，也就是说需要强大的算力。有人会问：我也想挖矿，但是我不会计算哈希，我该怎么办?还有人可能会好奇：计算哈希明明就是脑力工作，为什么最大成本却是电费?

早期的“挖矿”确实需要计算和脑力劳动，但现在早已不再使用家用电脑进行挖矿，而是采用了专用矿机。专用矿机的发展和应用弥补了家用电脑算力不足的缺点，同时也省去了我们的脑力劳动，使得挖矿变得更加便捷。

对于专用矿机，我们只需简单的安装即可开始挖矿，而关于计算哈希的过程，则由专用矿机芯片自动完成。目前主流的芯片类型为ASIC，市面上流行的蚂蚁矿机和阿瓦隆矿机均采用了ASIC芯片。

因此，对于挖矿来说，你需要付出的成本主要包括矿机费用和电费。甚至你还可以不购买矿机，因为现在有许多矿场提供租赁服务，你可以租用矿场的矿机算力进行挖矿。

当前主流矿机的计算量级约为13.5T，这意味着它每秒钟可以进行13.5万亿次计算，即每秒钟可以进行13.5万亿次哈希碰撞。这样的数字令人震惊，相应的电力消耗也相当可观，这部分电费构成了矿工挖矿的主要成本。

据最新行情显示，购买矿机挖矿一年很难回本，主要是因为电费过高。因此，许多矿场都设在电费低廉的地方，中国的矿场主要集中在四川和内蒙古地区。

根据比特币系统规定，每十分钟会新增一个区块，区块内容包括过去十分钟内发生的部分交易。因此，矿工的挖矿时间大约为十分钟。

早期，在还没有专用矿机的时代，矿工们需要时刻监控网络，一旦网络上广播了交易信息，就必须在十分钟内利用自己的电脑进行大量哈希计算。直到有人首先计算出正确的哈希值，他就拥有了记录交易和创建新区块的权利，并获得比特币奖励和交易手续费奖励，宣告挖矿成功。

如今，有了专用矿机，矿机可以代替矿工实现“时刻监控网络、进行大量哈希计算”的功能。

我们前面所讲述的整个哈希计算过程，就是所谓的“工作量证明”，英文缩写为PoW。

在工作量证明机制(PoW)下，全网达成一个共识，即一个所有人都认可的规则，这个规则(共识)是：

通过解答“哈希函数”的方式来证明自己完成了一定的工作量，谁能快速准确地完成工作，并解答出正确的哈希值，谁就拥有记录交易(记账)的权力，并获得比特币奖励。

因此，我们可以认为“工作量证明机制”(PoW)是一种激励机制，遵循多劳多得，少劳少得的原则，你投入的工作量越多，获得比特币奖励的机会也就越大。