比特币共识与挖矿

　　共识与工作量证明：为什么要工作量证明，如何证明工作量

　　挖矿难度：为什么大约10分钟产生一个区块，在变化的网络中是如何调整的

　　比特币来源：比特币是怎么来的，为什么有上限

　　分布式系统

　　区块链系统是一个典型的分布式系统，这里要了解一些相关知识才能更深入理解区块链的一些架构。

　　区块链网络是由众多匿名节点共同合作形成的一个网络，比特币区块链又是做为交易系统存在的，如果我们把他当作一个分布式计算系统，他对分隔容忍性和一致性要求是非常强的。

　　这里有一个很重要的理论CAP理论：一个分布式系统不可能同时很好的满足一致性，可用性和分区容错性这三个需求，最多只能同时较好的满足两个。

　　比特币是用的P2P做的分布式，节点的上下线对网络没影响，所以分隔容忍性是最强的类别。

　　一致性用的是pow算法，保证整个网络的区块数据一致，所以一致性也是最强的类别。

　　从CAP角度看，p2p+pow的比特币系统可用性就不会太高。

　　共识机制

　　共识机制属于CAP中的一致性（Consistency） 部分，无论用哪种，都是cap三个特性的妥协，不要认为哪种共识机制更好，其实都是在牺牲其它两个特性的强度来实现的。

　　现今区块链的共识机制可分为四大类：工作量证明机制（pow）、权益证明机制（pos）、股份授权证明机制（dpos）和Pool验证池。

　　区块链网络共识机制主要是为了防止不可信节点修改已有区块链，让可信节点可以添加新区块。

　　区块头包含一个随机数Nonce值，Pow的过程，即为不断调整Nonce值，对区块头做双重SHA256哈希运算，使得结果满足给定数量前导0的哈希值的过程。其中前导0的个数，取决于挖矿难度，前导0的个数越多，挖矿难度越大。

　　具体如下：

　　1、生成铸币交易，并与其它所有准备打包进区块的交易组成交易列表，生成Merkle根哈希值。

　　2、将Merkle根哈希值，与区块头其它字段组成区块头，80字节长度的区块头作为Pow算法的输入。

　　3、不断变更区块头中的随机数Nonce，对变更后的区块头做双重SHA256哈希运算，与当前难度的目标值做比对，如果小于目标难度，即Pow完成。

　　Pow完成的区块向全网广播，其他节点将验证其是否符合规则，如果验证有效，其他节点将接收此区块，并附加在已有区块链之后。之后将进入下一轮挖矿。

　　class CBlockHeader

　　{

　　public:

　　//版本号

　　int32_t nVersion;

　　//上一个区块的哈希值

　　uint256 hashPrevBlock;

　　//交易列表的Merkle根哈希值

　　uint256 hashMerkleRoot;

　　//当前时间戳

　　uint32_t nTime;

　　//当前挖矿难度，nBits越小难度越大

　　uint32_t nBits;

　　//随机数Nonce值

　　uint32_t nNonce;

　　//其它代码略

　　};

　　共识频率与性能

　　pow是需要时间的，pow之后区块链网络完成共识也是需要时间的。

　　达成一次共识是非常不容易的，所以要把很多交易打包成区块在一次共识中处理。

　　共识频率最终决定了区块链网络的可用性，决定共识频率的因素主要是共识算法和网络情况。

　　共识算法如果太简单会导致共识并发情况比较多，导致共识能力下降。

　　比特币大约10分钟产生一个区块，也就是说10分钟左右达成一次共识。

　　10分钟这个值是通过调整挖矿难度全网一致的，不会随着区块链网络的变化而变化，一直动态调整的是挖矿难度。

　　比特币区块大小为1M，每个交易大小约250字节，所以每个块最多容纳4000个交易。平均大约每10分钟产生一个区块，所以比特币网络每秒只能处理7比交易。

　　总体看网络性能是达成共识的主要瓶颈，当5G普及后可能会有质的变化，因为随着网络性能的提升，区块大小可以调到更大，10分钟的限制也可以调到更小，这是一个乘法关系。

　　10分钟的难度

　　比特币是如何控制每10分钟达成一次共识，产生一个区块的？

　　每创建2016个块后将计算新的难度，此后的2016个块使用新的难度。计算步骤如下：

　　1、找到前2016个块的第一个块，计算生成这2016个块花费的时间。即最后一个块的时间与第一个块的时间差。时间差不小于3.5天，不大于56天。

　　2、计算前2016个块的难度总和，即单个块的难度x总时间。

　　3、计算新的难度，即2016个块的难度总和/14天的秒数，得到每秒的难度值。

　　4、要求新的难度，难度不低于参数定义的最小难度。

　　也就是原来平均一个区块用时长，后面就难度小点，每个区块产生的时间就短了，反之亦然。

　　这样整体平均值就是设置的大约10分钟一个区块了。

　　比特币是什么

　　比特币是对区块打包的奖励，如果没有奖励也有人为区块链网络提供算力和存储，那就没有比特币了。

　　比特币被设计成每生成21000个区块，挖矿奖励就减半，最开始的奖励是50个比特币。

　　到第33次减半时，每个块产生的新比特币从0.0021个直接减为0个，这样算一下，总共产生的比特币就是20999999.97690000个。

　　思考

　　1. 区块链技术重点是不可篡改的特性。

　　2. P2P网络重点是全球匿名对等特性，这实现了基础上的公平。

　　3. 共识机制可以实现分布式的一致性，p2p上的共识实现了公平的共识。

　　从CAP的角度看，区块链技术在特定领域已经可以实现商业化应用，因为不是所有领域都需要强分布特性。

　　比如银行结算系统，自建自管的大节点小网络，CA这两方面没问题，P只是起到数据备份的作用。

　　如果各银行联合组建联盟链，这将是更好的方式。

　　EOS的选超级节点也是通过降P来增加A的性能，用DPOS代替POW是通过降C来增加A的性能。

　　由于CAP定理的限制，鼓吹的区块链3.0不过是CAP性能的一次重新划分，因为商业上真不需要那么P的特性。

　　在CAP没有变动的情况下想加区块链系统的性能，只能通过增加网络性能来整体增强CAP的性能。