BTC的挖礦算法究竟是如何運算的？_ASH:Frax Share

比特幣挖礦是比特幣系統安全的一個關鍵部分。其原理是，比特幣礦工將一堆比特幣交易歸為一個區塊，然后反復執行一種叫做Hash的加密操作幾十億次，直到有人找到一個特殊的目標Hash值。至此，該區塊即被開采并成為比特幣區塊鏈的一部分。Hash任務本身并不能完成任何有價值的任務，但由于通過它找到一個成功的目標值非常困難，所以它確保了沒有人擁有接管比特幣系統的能力和資源。

Hash函數是指輸入一個數據區塊并創建一個較小的、不可預測的輸出。Hash函數的設計使得沒有"捷徑"來獲得所需的輸出結果--你只能不斷地對區塊進行Hash操作，直到你通過蠻力找到有效的一個結果為止。對于比特幣來說，Hash函數是一個叫做SHA-256的函數。為了提供更高的安全性，比特幣將連續重復SHA-256函數兩次，這個過程被稱為雙SHA-256。

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在比特幣中，一個成功的Hash值是一個以足夠多的零開頭的數值。就像很少能找到一個以多個0結尾的電話號碼或車牌一樣，很少能找到一個以多個0開頭的Hash。但比特幣的難度是呈指數倍增加的。目前，一個成功的Hash必須從大約17個0開始。換句話說，找到一個成功的Hash比在地球上所有沙粒中找到某一粒沙子還要難。

下圖顯示了比特幣區塊鏈中的一個區塊以及它的Hash值。黃色的字節經過Hash后生成區塊Hash值。在這種情況下，生成的Hash值以足夠多的0開始，因此此次挖礦成功。然而，Hash很難一次得到的，在這種情況下，礦工會改變nonce值或其他區塊內容，然后進行反復嘗試。?

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比特幣使用的SHA-256Hash算法

SHA-256的Hash算法采用512位的輸入塊，對數據進行加密組合，并產生256位的輸出。SHA-256算法由重復64次的相對簡單的回合組成。下圖顯示了一個回合，它需要8個4字節的輸入--A到H，然后執行一些操作，并生成A到H的新值。?

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藍色方框以非線性的方式將數值混合在一起，因此很難用密碼學分析這些值。由于算法使用了幾個不同的函數，所以發現攻擊就更難了。(如果你能找出一種數學捷徑來生成成功的Hash值，你就可以接管比特幣挖礦了)。

Ma大多數框看A、B、C的位數，對于每個位置，如果多數位數為0，則輸出0，否則輸出1。也就是說，對于A、B、C的每個位置，看1位的數量。如果是0或1，輸出0，如果是2或3，輸出1。

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Σ0框將A的位數反轉，形成三個反轉版本，然后將它們相加模數為2。換句話說，如果1位的數量是奇數，則和為1，否則為0，和中的三個值分別是A向右反轉2位、13位和22位。

Ch"選擇"框根據輸入E的值選擇輸出位，如果E的某位為1，則輸出位為F的對應位，如果E的某位為0，則輸出位為G的對應位，這樣，F和G的位就根據E的值進行隨機選擇。

下一框Σ1對E的位進行反轉和，除了移位是6位、11位和25位外，其他與Σ0類似。

紅框執行32位加法，生成A和E的新值，輸入Wt是基于輸入數據，稍加處理。(這是輸入塊被輸入到算法中的地方。)輸入Kt是為每一輪定義的常數。

從上圖可以看出，一輪中只有A和E是變化的。其他值不變通過，舊的A值變成新的B值，舊的B值變成新的C值，以此類推。雖然SHA-256的每一輪都不會對數據有太大的改變，但64輪之后，輸入的數據將完全被擾亂。?

這對挖礦的硬件意味著什么？

SHA-256的每一步在數字邏輯中都非常容易實現--簡單的布爾運算和32位加法。。出于這個原因，定制的ASIC芯片可以在硬件中非常高效地實現SHA-256算法，在一個芯片上并行地放上幾百輪。

相比之下，Litecoin、Dogecoin和類似的altcoins使用CryptHash算法，該算法被有意設計成難以在硬件中實現的形式。它將1024個不同的Hash值存儲到內存中，然后以不可預測的方式將它們結合起來，以獲得最終結果。因此，與SHA-256Hash相比，Scrypt需要更多的電路和內存。你可以通過查看挖礦硬件來了解其影響，Scrypt的計算速度比SHA-256慢數千倍。

SHA-256算法出乎意料的簡單，很容易手動完成。(用于簽署比特幣交易的橢圓曲線算法用手計算會非常痛苦，因為它有很多32字節整數的乘法)。手工做一輪SHA-256花了我16分45秒。按照這個速度，Hash一個完整的比特幣區塊(128輪)需要1.49天，每天的Hash率為0.67次(雖然我可能會通過練習變得更快)。相比之下，目前的比特幣挖礦硬件每秒可以做到幾兆次的Hash，比我的手動Hash快了約五千萬倍。不用說，手動比特幣挖礦根本不實用。

有Reddit讀者問到我的能量消耗。其實不需要太多能量消耗，所以假設靜止代謝率為1500kcal/天，人工Hash的能耗差不多為10兆焦耳/Hash。一般挖礦硬件的能耗是1000兆焦耳/Hash。所以，我的能源效率低了101?。接下來的問題是能源成本。一個便宜的食物能量來源是甜甜圈，200千卡的熱量是0.23元。這里的電是0.15美元/千瓦時，便宜了6.7倍--比我預期的要接近。因此，我每Hash的能源成本大約是挖礦硬件的67倍。很明顯，我不會靠人工挖礦發家致富，我甚至還沒有包括我需要的所有紙和鉛筆的成本。

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