比特幣（5）：區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
如果把比特幣比喻為「虛擬黃金」的話，那么比特幣的挖坑，你好比當年美國淘金熱時，成千上萬的淘金者去美國西部淘金的事跡。淘金者付出體力，獲得金子；挖礦者付出算力，獲得比特幣。
比特幣是一種總量恒定且通貨緊縮的電子貨幣?？偭亢愣ㄊ侵副忍貛趴偣仓挥?100萬個，到2140后就不會再產(chǎn)生新的比特幣。通貨緊縮是指新產(chǎn)生的比特幣的數(shù)量每4年減半，2009年1月比特幣誕生的時候每個區(qū)塊獎勵50個比特幣，然后到2012年11月減半為25個比特幣，在2016年再次減半為12.5個比特幣?；谶@個公式，比特幣挖礦獎勵以指數(shù)方式遞減，直到2140年為0。因此比特幣在這點上和各國央行發(fā)行的法幣是有本質(zhì)區(qū)別的，不用擔心政府濫發(fā)貨幣導(dǎo)致個人資產(chǎn)縮水。
比特幣挖坑的過程簡單說就是：礦工使用挖礦節(jié)點嘗試解一道數(shù)學難題，誰先解出來誰就能獲得新產(chǎn)生的比特幣和交易費。具體過程如下：
1.整合交易至候選區(qū)塊
挖礦節(jié)點不斷監(jiān)聽比特幣網(wǎng)絡(luò)中的交易信息，并將這些交易信息暫存到自己的內(nèi)存池里，挖礦節(jié)點會根據(jù)以下信息對這些交易進行排序：
1）優(yōu)先選擇「塊齡」更大的交易，「塊齡」是指自該交易被記錄到區(qū)塊鏈為止所經(jīng)歷過的區(qū)塊數(shù)，即這個交易在區(qū)塊鏈中的深度。簡單說，就是會優(yōu)先處理那些舊的交易，這樣確保即使沒有交易費的交易最終也能得到確認，只是要等的時間比較長一些。
2）優(yōu)先選擇相對交易費更高的交易，也就是說出的交易費越高，越有可能越快得到確認。因此如果你想你的交易被盡快確認，應(yīng)該主動多付些交易費。
挖礦節(jié)點根據(jù)上述條件排序后生成候選區(qū)塊，同時會在候選區(qū)塊里加入一筆特殊的交易-「Coinbase交易」，該交易是候選區(qū)塊的第一筆交易，它會把新產(chǎn)生的比特幣（當前是12.5個）和交易費發(fā)送給礦工的地址，是給礦工挖礦的獎勵。
2.求解數(shù)學難題使候選區(qū)塊成為合法的新區(qū)塊（PoW）
構(gòu)建候選區(qū)塊完畢后，礦機就要開始使用PoW（Proof of Work，工作量證明）算法來獲得一個正確的nonce值，來向全網(wǎng)證明新區(qū)塊是它挖的。
所謂的PoW算法其實并不復(fù)雜，假設(shè)你是一個礦機，你會不斷的嘗試改變nonce值，并計算區(qū)塊頭的哈希值，如果你足夠幸運，算出的哈希值正好小于難度值，說明你的這個nonce值是有效的，表示你成功挖到礦了，于是你會迅速的向全網(wǎng)廣播，告訴大家這個區(qū)塊我已經(jīng)挖到了，你們繼續(xù)挖下一個吧。但現(xiàn)實更多的情況是，你嘗試了成千上億次后，還是沒有猜出有效地nonce值，卻收到了其它礦工發(fā)來的通知說他已經(jīng)挖到了，于是你只好放棄之前的所有工作，繼續(xù)嘗試挖下一個區(qū)塊。上述描述的整個過程大概每10分鐘會重復(fù)一次，生生不息，永不停止。
看到這里，相信很多人會有以下兩個疑問。
第一個疑問是「我難道只能不斷嘗試不同的nonce值這種暴力破解的笨辦法嗎？是否存在更好的辦法呢？」。我可以明確的告訴你，數(shù)學家已經(jīng)證明沒有比暴力破解更好的辦法，所以這也是很多人詬病比特幣不環(huán)保、空耗大量算力的原因，但這也是比特幣能夠維持一個去中心化共識的根本原因。
第二個疑問是「難度值是如何確定的？」。比特幣為了確保平均每10分鐘出個新區(qū)塊，它必須能夠動態(tài)調(diào)整難度值，起初由于全網(wǎng)算力很小，因此難度值也比較小，但隨著全網(wǎng)算力越來越大，難度值必須不斷動態(tài)增大才行。但大家知道比特幣是去中心化的，也就是說從來沒有一個中心可以動態(tài)調(diào)整難度值，那比特幣是怎么做到的呢？它把難度值的調(diào)整交給了每個全節(jié)點（什么是全節(jié)點可參考「比特幣（4）：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)」），具體是這樣的：每2,016個區(qū)塊調(diào)整一次難度值，難度的調(diào)整公式是由最新2,016個區(qū)塊的真正花費時長與20,160分鐘（兩周，即這些區(qū)塊如以10分鐘速率所期望花費的時長）比較得出的，如果發(fā)現(xiàn)平均時長小于10分鐘，說明之前的難度值過小，需要加大難度，反之亦然。
3.區(qū)塊鏈分叉
上述描述的基于PoW算法的挖礦過程可能會產(chǎn)生這樣一種狀況：假設(shè)礦工A挖到了新區(qū)塊，但由于比特幣的節(jié)點分布在全球各地，網(wǎng)絡(luò)傳輸需要一定的時間，所以在他向全網(wǎng)廣播的過程中，正好又有一個礦工B挖到了新區(qū)塊，他也會向全網(wǎng)廣播他挖到的新區(qū)塊，這時就會出現(xiàn)兩個新區(qū)塊互相競爭的情況，這就是區(qū)塊鏈分叉。
那么比特幣是怎么解決分叉的問題呢？答案是暫時不解決，就讓分叉存在著，相信時間最終來解決。也就是說，這時候比特幣網(wǎng)絡(luò)被分成了兩派，一派基于A繼續(xù)挖新區(qū)塊，另一派基于B繼續(xù)挖新區(qū)塊，隨著時間的推移，一定會出現(xiàn)其中一個分叉成為主鏈，另外一個分支慢慢被放棄。注意：這里誰能成為主鏈，并不是簡單的基于誰先挖到算誰的，而是誰后續(xù)能獲得大多數(shù)節(jié)點的認可。
這樣又會帶來兩個問題：
問題1：有可能導(dǎo)致已被確認的交易被取消。比如上述例子我們假設(shè)A成為了主鏈，B被拋棄了，那么B挖到的這個新區(qū)塊，雖然已被確認是有效的，但由于不是主鏈，最終會被拋棄，也就是說B創(chuàng)建的這個新區(qū)塊上的交易都失效了。這也是為什么雖然比特幣平均每10分鐘生成一個區(qū)塊，但一個交易真正被確認需要60分鐘，因為一般認為經(jīng)過后續(xù)6個區(qū)塊的確認后，基本就很難被取消了。
問題2：有可能受到51%的算力攻擊。假設(shè)有個人或機構(gòu)非常強大，他能控制比特幣全網(wǎng)51%的算力，就可能隨意強行分叉，并讓他的鏈總是成為主鏈，那么比特幣的共識就崩潰了。雖然理論上存在這樣的可能性，但由于現(xiàn)在比特幣全網(wǎng)的算力過于強大，想要控制51%的算力，幾乎不可能，美國總統(tǒng)都做不到。
