什么叫比特币挖矿?
比特币挖矿是消耗计算资源来处理交易，确保网络安全以及保持网络中每个人的信息同步的过程。它可以理解为是比特币的数据中心，区别在于其完全去中心化的设计，矿工在世界各国进行操作，没有人可以对网络具有控制权。这个过程因为同淘金类似而被称为“挖矿”，因为它也是一种用于发行新比特币的临时机制。然而，与淘金不同的是，比特币挖矿对那些确保安全支付网络运行的服务提供奖励。在最后一个比特币发行之后，挖矿仍然是必须的。
简而言之，比特币挖矿计算的是基于SHA256算法的数学难题，确认网络交易，比特币网络会根据矿工贡献算力的大小给予的等分的比特币奖励。目前，比特币挖矿经历了三个阶段，CPU、GPU、ASIC，目前，以ASIC矿机挖矿一家独大，其中，阿瓦隆矿机尤其突出，阿瓦隆矿机一直走在矿机行业的前列，是比特币挖矿行业的领头羊，目前，搭乘三代芯片的矿机已进入市场，第四代芯片据说正在研发中。
【拓展资料】
任何人均可以在专门的硬件上运行软件而成为比特币矿工。挖矿软件通过P2P网络监听交易广播，执行恰当的任务以处理并确认这些交易。比特币矿工完成这些工作能赚取用户支付的用于加速交易处理的交易手续费以及按固定公式增发的比特币。
新的交易需要被包含在一个具有数学工作量证明的区块中才能被确认。这种证明很难生成因为它只能通过每秒尝试数十亿次的计算来产生。矿工们需要在他们的区块被接受并拿到奖励前运行这些计算。随着更多的人开始挖矿，寻找有效区块的难度就会由网络自动增加以确保找到区块的平均时间保持在10分钟。因此，挖矿的竞争非常激烈，没有一个个体矿工能够控制块链里所包含的内容。
工作量证明还被设计成必须依赖以往的区块，这样便强制了块链的时间顺序。这种设计使得撤销以往的交易变得极其困难，因为需要重新计算所有后续区块的工作量证明。当两个区块同时被找到，矿工会处理接收到的*9个区块，一旦找到下一个区块便将其转至最长的块链。这样就确保采矿过程维持一个基于处理能力的全局一致性。
比特币矿工既不能通过作弊增加自己的报酬，也不能处理那些破坏比特币网络的欺诈交易，因为所有的比特币节点都会拒绝含有违反比特币协议规则的无效数据的区块。因此，即使不是所有比特币矿工都可以信任，比特币网络仍然是安全的。
挖矿难度表示
比特币的挖矿难度可以使用Target Threshold，nBits或Difficulty表示，它们互相等价：
这三个值的转化关系可以采用下面的实例来说明：
首先获取哈希值为 000000000003ba27aa200b1cecaad478d2b00432346c3f1f3986da1afd33e506 的区块原生十六进制信息如下：
区块中nBits采用小端格式表示，解析区块信息，得到nBits字段值为0x4c86041b。因此转化为大端格式为0x1B04864C，这个值是Target Threshold的压缩格式表示，可以将它转化成256位的Target Threshold值：
开头的一个字节为指数，后面三个字节为系数，则：
计算出Target Threshold值为 0x000000000004864c000000000000000000000000000000000000000000000000 。
再计算Difficulty的值，它有两个值，计算公式分别为：
由此可以使用 Python 计算出bdiff的值：
因此，得到在比特币客户端中的difficulty值bdiff为14484.162361225399。
为了检验上述结果，可以在比特币核心客户端中使用 getblockquan "000000000003ba27aa200b1cecaad478d2b00432346c3f1f3986da1afd33e506" 命令得到该区块的json格式信息：
最终，可以发现该区块的bits和difficulty字段信息与上面分析计算的相关结果一致。
nBits的大端格式表示法中，其系数最大为0x7fffff，这是因为Target Threshold数据类型是无符号整型，而它继承自有符号数据类，则在实际中Target Threshold系数的最高位有可能是1，这可能会被解析成一个负数。则在挖矿过程中难度值永远无法小于一个负数。因此，为了解决这个问题，比特币核心在生成nBits值时需要首先检查一下生成的nBits是否会被解析为一个负数。如果是，首先在系数开头补8位0，即除以256，然后指数再加上1。这样由nBits转化为Target Threshold过程中转化公式就与普通值相同了，即指数位都是减去3，转化过程上面已经提到。
举个例子说明：
哈希值为 00000000d1145790a8694403d4063f323d499e655c83426834d4ce2f8dd4a2ee 的区块信息如下：
发现bdiff值为1，则利用bdiff与Target Threshold关系可以计算出：
将Target Threshold值 0x00000000FFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000 转化为nBits的过程中可以发现其系数为0xffff00，指数为0x1c，这样：
然而由于系数最高位为1，则如果这样表示的话就可能将Target Threshold解析为负数。因此，我们将系数除以256，指数加上1，得到系数为0x00ffff，指数为0x1d。这样：
最终，nBits值为0x1d00ffff（大端表示），与json格式信息一致。
详解比特币挖矿原理
可以将区块链看作一本记录所有交易的公开总帐簿（列表），比特币网络中的每个参与者都把它看作一本所有权的权威记录。
比特币没有中心机构，几乎所有的完整节点都有一份公共总帐的备份，这份总帐可以被视为认证过的记录。
至今为止，在主干区块链上，没有发生一起成功的攻击，一次都没有。
通过创造出新区块，比特币以一个确定的但不断减慢的速率被铸造出来。大约每十分钟产生一个新区块，每一个新区块都伴随着一定数量从无到有的全新比特币。每开采210,000个块，大约耗时4年，货币发行速率降低50%。
在2016年的某个时刻，在第420,000个区块被“挖掘”出来之后降低到12.5比特币/区块。在第13,230,000个区块（大概在2137年被挖出）之前，新币的发行速度会以指数形式进行64次“二等分”。到那时每区块发行比特币数量变为比特币的最小货币单位——1聪。最终，在经过1,344万个区块之后，所有的共20,999,999.9769亿聪比特币将全部发行完毕。换句话说， 到2140年左右，会存在接近2,100万比特币。在那之后，新的区块不再包含比特币奖励，矿工的收益全部来自交易费。
在收到交易后，每一个节点都会在全网广播前对这些交易进行校验，并以接收时的相应顺序，为有效的新交易建立一个池（交易池）。
每一个节点在校验每一笔交易时，都需要对照一个长长的标准列表：
交易的语法和数据结构必须正确。
输入与输出列表都不能为空。
交易的字节大小是小于MAX_blockquan_SIZE的。
每一个输出值，以及总量，必须在规定值的范围内 （小于2,100万个币，大于0）。
没有哈希等于0，N等于-1的输入（coinbase交易不应当被中继）。
nLockTime是小于或等于INT_MAX的。
交易的字节大小是大于或等于100的。
交易中的签名数量应小于签名操作数量上限。
解锁脚本（Sig）只能够将数字压入栈中，并且锁定脚本（Pubkey）必须要符合isStandard的格式 （该格式将会拒绝非标准交易）。
池中或位于主分支区块中的一个匹配交易必须是存在的。
对于每一个输入，如果引用的输出存在于池中任何的交易，该交易将被拒绝。
对于每一个输入，在主分支和交易池中寻找引用的输出交易。如果输出交易缺少任何一个输入，该交易将成为一个孤立的交易。如果与其匹配的交易还没有出现在池中，那么将被加入到孤立交易池中。
对于每一个输入，如果引用的输出交易是一个coinbase输出，该输入必须至少获得COINBASE_MATURITY (100)个确认。
对于每一个输入，引用的输出是必须存在的，并且没有被花费。
使用引用的输出交易获得输入值，并检查每一个输入值和总值是否在规定值的范围内 （小于2100万个币，大于0）。
如果输入值的总和小于输出值的总和，交易将被中止。
如果交易费用太低以至于无法进入一个空的区块，交易将被拒绝。
每一个输入的解锁脚本必须依据相应输出的锁定脚本来验证。
以下挖矿节点取名为 A挖矿节点
挖矿节点时刻监听着传播到比特币网络的新区块。而这些新加入的区块对挖矿节点有着特殊的意义。矿工间的竞争以新区块的传播而结束，如同宣布谁是最后的赢家。对于矿工们来说，获得一个新区块意味着某个参与者赢了，而他们则输了这场竞争。然而，一轮竞争的结束也代表着下一轮竞争的开始。
验证交易后，比特币节点会将这些交易添加到自己的内存池中。内存池也称作交易池，用来暂存尚未被加入到区块的交易记录。
A节点需要为内存池中的每笔交易分配一个优先级，并选择较高优先级的交易记录来构建候选区块。
一个交易想要成为“较高优先级”，需满足的条件：优先值大于57,600,000，这个值的生成依赖于3个参数：一个比特币（即1亿聪），年龄为一天（144个区块），交易的大小为250个字节：
High Priority > 100,000,000 satoshis * 144 blockquans / 250 bytes = 57,600,000
区块中用来存储交易的前50K字节是保留给较高优先级交易的。 节点在填充这50K字节的时候，会优先考虑这些最高优先级的交易，不管它们是否包含了矿工费。这种机制使得高优先级交易即便是零矿工费，也可以优先被处理。
然后，A挖矿节点会选出那些包含最小矿工费的交易，并按照“每千字节矿工费”进行排序，优先选择矿工费高的交易来填充剩下的区块。
如区块中仍有剩余空间，A挖矿节点可以选择那些不含矿工费的交易。有些矿工会竭尽全力将那些不含矿工费的交易整合到区块中，而其他矿工也许会选择忽略这些交易。
在区块被填满后，内存池中的剩余交易会成为下一个区块的候选交易。因为这些交易还留在内存池中，所以随着新的区块被加到链上，这些交易输入时所引用UTXO的深度（即交易“块龄”）也会随着变大。由于交易的优先值取决于它交易输入的“块龄”，所以这个交易的优先值也就随之增长了。最后，一个零矿工费交易的优先值就有可能会满足高优先级的门槛，被免费地打包进区块。
UTXO（Unspent Transaction Output） : 每笔交易都有若干交易输入，也就是资金来源，也都有若干笔交易输出，也就是资金去向。一般来说，每一笔交易都要花费（spend）一笔输入，产生一笔输出，而其所产生的输出，就是“未花费过的交易输出”，也就是 UTXO。
块龄：UTXO的“块龄”是自该UTXO被记录到区块链为止所经历过的区块数，即这个UTXO在区块链中的深度。
区块中的第一笔交易是笔特殊交易，称为创币交易或者coinbase交易。这个交易是由挖矿节点构造并用来奖励矿工们所做的贡献的。假设此时一个区块的奖励是25比特币，A挖矿的节点会创建“向A的地址支付25.1个比特币(包含矿工费0.1个比特币)”这样一个交易，把生成交易的奖励发送到自己的钱包。A挖出区块获得的奖励金额是coinbase奖励（25个全新的比特币）和区块中全部交易矿工费的总和。
A节点已经构建了一个候选区块，那么就轮到A的矿机对这个新区块进行“挖掘”，求解工作量证明算法以使这个区块有效。比特币挖矿过程使用的是SHA256哈希函数。
用最简单的术语来说， 挖矿节点不断重复进行尝试，直到它找到的随机调整数使得产生的哈希值低于某个特定的目标。 哈希函数的结果无法提前得知，也没有能得到一个特定哈希值的模式。举个例子，你一个人在屋里打台球，白球从A点到达B点，但是一个人推门进来看到白球在B点，却无论如何是不知道如何从A到B的。哈希函数的这个特性意味着：得到哈希值的唯一方法是不断的尝试，每次随机修改输入，直到出现适当的哈希值。
需要以下参数
? blockquan的版本 version
? 上一个blockquan的hash值: prev_hash
? 需要写入的交易记录的hash树的值: merkle_root
? 更新时间: ntime
? 当前难度: nbits
挖矿的过程就是找到x使得
SHA256(SHA256(version + prev_hash + merkle_root + ntime + nbits + x ))
上式的x的范围是0~2^32, TARGET可以根据当前难度求出的。
简单打个比方，想象人们不断扔一对色子以得到小于一个特定点数的游戏。第一局，目标是12。只要你不扔出两个6，你就会赢。然后下一局目标为11。玩家只能扔10或更小的点数才能赢，不过也很简单。假如几局之后目标降低为了5。现在有一半机率以上扔出来的色子加起来点数会超过5，因此无效。随着目标越来越小，要想赢的话，扔色子的次数会指数级的上升。最终当目标为2时（最小可能点数），只有一个人平均扔36次或2%扔的次数中，他才能赢。
如前所述，目标决定了难度，进而影响求解工作量证明算法所需要的时间。那么问题来了：为什么这个难度值是可调整的？由谁来调整？如何调整？
比特币的区块平均每10分钟生成一个。这就是比特币的心跳，是货币发行速率和交易达成速度的基础。不仅是在短期内，而是在几十年内它都必须要保持恒定。在此期间，计算机性能将飞速提升。此外，参与挖矿的人和计算机也会不断变化。为了能让新区块的保持10分钟一个的产生速率，挖矿的难度必须根据这些变化进行调整。事实上，难度是一个动态的参数，会定期调整以达到每10分钟一个新区块的目标。简单地说，难度被设定在，无论挖矿能力如何，新区块产生速率都保持在10分钟一个。
那么，在一个完全去中心化的网络中，这样的调整是如何做到的呢？难度的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每2,016个区块(2周产生的区块)中的所有节点都会调整难度。难度的调整公式是由最新2,016个区块的花费时长与20,160分钟（两周，即这些区块以10分钟一个速率所期望花费的时长）比较得出的。难度是根据实际时长与期望时长的比值进行相应调整的（或变难或变易）。简单来说，如果网络发现区块产生速率比10分钟要快时会增加难度。如果发现比10分钟慢时则降低难度。
为了防止难度的变化过快，每个周期的调整幅度必须小于一个因子（值为4）。如果要调整的幅度大于4倍，则按4倍调整。由于在下一个2,016区块的周期不平衡的情况会继续存在，所以进一步的难度调整会在下一周期进行。因此平衡哈希计算能力和难度的巨大差异有可能需要花费几个2,016区块周期才会完成。
举个例子，当前A节点在挖277,316个区块，A挖矿节点一旦完成计算，立刻将这个区块发给它的所有相邻节点。这些节点在接收并验证这个新区块后，也会继续传播此区块。当这个新区块在网络中扩散时，每个节点都会将它作为第277,316个区块(父区块为277,315)加到自身节点的区块链副本中。当挖矿节点收到并验证了这个新区块后，它们会放弃之前对构建这个相同高度区块的计算，并立即开始计算区块链中下一个区块的工作。
比特币共识机制的第三步是通过网络中的每个节点独立校验每个新区块。当新区块在网络中传播时，每一个节点在将它转发到其节点之前，会进行一系列的测试去验证它。这确保了只有有效的区块会在网络中传播。
每一个节点对每一个新区块的独立校验，确保了矿工无法欺诈。在前面的章节中，我们看到了矿工们如何去记录一笔交易，以获得在此区块中创造的新比特币和交易费。为什么矿工不为他们自己记录一笔交易去获得数以千计的比特币？这是因为每一个节点根据相同的规则对区块进行校验。一个无效的coinbase交易将使整个区块无效，这将导致该区块被拒绝，因此，该交易就不会成为总账的一部分。
比特币去中心化的共识机制的最后一步是将区块集合至有最大工作量证明的链中。一旦一个节点验证了一个新的区块，它将尝试将新的区块连接到到现存的区块链，将它们组装起来。
节点维护三种区块：
· 第一种是连接到主链上的，
· 第二种是从主链上产生分支的（备用链），
· 第三种是在已知链中没有找到已知父区块的。
有时候，新区块所延长的区块链并不是主链，这一点我们将在下面“ 区块链分叉”中看到。
如果节点收到了一个有效的区块，而在现有的区块链中却未找到它的父区块，那么这个区块被认为是“孤块”。孤块会被保存在孤块池中，直到它们的父区块被节点收到。一旦收到了父区块并且将其连接到现有区块链上，节点就会将孤块从孤块池中取出，并且连接到它的父区块，让它作为区块链的一部分。当两个区块在很短的时间间隔内被挖出来，节点有可能会以相反的顺序接收到它们，这个时候孤块现象就会出现。
选择了最大难度的区块链后，所有的节点最终在全网范围内达成共识。随着更多的工作量证明被添加到链中，链的暂时性差异最终会得到解决。挖矿节点通过“投票”来选择它们想要延长的区块链，当它们挖出一个新块并且延长了一个链，新块本身就代表它们的投票。
因为区块链是去中心化的数据结构，所以不同副本之间不能总是保持一致。区块有可能在不同时间到达不同节点，导致节点有不同的区块链视角。解决的办法是， 每一个节点总是选择并尝试延长代表累计了最大工作量证明的区块链，也就是最长的或最大累计难度的链。
当有两个候选区块同时想要延长最长区块链时，分叉事件就会发生。正常情况下，分叉发生在两名矿工在较短的时间内，各自都算得了工作量证明解的时候。两个矿工在各自的候选区块一发现解，便立即传播自己的“获胜”区块到网络中，先是传播给邻近的节点而后传播到整个网络。每个收到有效区块的节点都会将其并入并延长区块链。如果该节点在随后又收到了另一个候选区块，而这个区块又拥有同样父区块，那么节点会将这个区块连接到候选链上。其结果是，一些节点收到了一个候选区块，而另一些节点收到了另一个候选区块，这时两个不同版本的区块链就出现了。
分叉之前
分叉开始
我们看到两个矿工几乎同时挖到了两个不同的区块。为了便于跟踪这个分叉事件，我们设定有一个被标记为红色的、来自加拿大的区块，还有一个被标记为绿色的、来自澳大利亚的区块。
假设有这样一种情况，一个在加拿大的矿工发现了“红色”区块的工作量证明解，在“蓝色”的父区块上延长了块链。几乎同一时刻，一个澳大利亚的矿工找到了“绿色”区块的解，也延长了“蓝色”区块。那么现在我们就有了两个区块：一个是源于加拿大的“红色”区块；另一个是源于澳大利亚的“绿色”。这两个区块都是有效的，均包含有效的工作量证明解并延长同一个父区块。这个两个区块可能包含了几乎相同的交易，只是在交易的排序上有些许不同。
比特币网络中邻近（网络拓扑上的邻近，而非地理上的）加拿大的节点会首先收到“红色”区块，并建立一个最大累计难度的区块，“红色”区块为这个链的最后一个区块（蓝色-红色），同时忽略晚一些到达的“绿色”区块。相比之下，离澳大利亚更近的节点会判定“绿色”区块胜出，并以它为最后一个区块来延长区块链（蓝色-绿色），忽略晚几秒到达的“红色”区块。那些首先收到“红色”区块的节点，会即刻以这个区块为父区块来产生新的候选区块，并尝试寻找这个候选区块的工作量证明解。同样地，接受“绿色”区块的节点会以这个区块为链的顶点开始生成新块，延长这个链。
分叉问题几乎总是在一个区块内就被解决了。网络中的一部分算力专注于“红色”区块为父区块，在其之上建立新的区块；另一部分算力则专注在“绿色”区块上。即便算力在这两个阵营中平均分配，也总有一个阵营抢在另一个阵营前发现工作量证明解并将其传播出去。在这个例子中我们可以打个比方，假如工作在“绿色”区块上的矿工找到了一个“粉色”区块延长了区块链(蓝色-绿色-粉色)，他们会立刻传播这个新区块，整个网络会都会认为这个区块是有效的，如上图所示。
所有在上一轮选择“绿色”区块为胜出者的节点会直接将这条链延长一个区块。然而，那些选择“红色”区块为胜出者的节点现在会看到两个链： “蓝色-绿色-粉色”和“蓝色-红色”。 如上图所示，这些节点会根据结果将 “蓝色-绿色-粉色” 这条链设置为主链，将 “蓝色-红色” 这条链设置为备用链。 这些节点接纳了新的更长的链，被迫改变了原有对区块链的观点，这就叫做链的重新共识 。因为“红”区块做为父区块已经不在最长链上，导致了他们的候选区块已经成为了“孤块”，所以现在任何原本想要在“蓝色-红色”链上延长区块链的矿工都会停下来。全网将 “蓝色-绿色-粉色” 这条链识别为主链，“粉色”区块为这条链的最后一个区块。全部矿工立刻将他们产生的候选区块的父区块切换为“粉色”，来延长“蓝色-绿色-粉色”这条链。
从理论上来说，两个区块的分叉是有可能的，这种情况发生在因先前分叉而相互对立起来的矿工，又几乎同时发现了两个不同区块的解。然而，这种情况发生的几率是很低的。单区块分叉每周都会发生，而双块分叉则非常罕见。
比特币将区块间隔设计为10分钟，是在更快速的交易确认和更低的分叉概率间作出的妥协。更短的区块产生间隔会让交易清算更快地完成，也会导致更加频繁地区块链分叉。与之相对地，更长的间隔会减少分叉数量，却会导致更长的清算时间。
比特币挖矿到底在计算什么?
要知道挖矿到底在计算什么，首先得知道比特币的本质及产生的过程。比特币是基于网络的电子货币，实际是互联网的一串代码，依靠算法计算得出。挖矿是完成算法的过程，也是生产比特币的唯一方式。而且由于算法规定，比特币目前只有2100万个。
1、挖矿既能生产比特币，又能保障交易信息
类似于，一个数学系统包含2100万个数学题，需要通过庞大的计算量不断的去寻求这个每个数学题的特解。另外，特解是唯一的。
下面来具体解释挖矿，从作用来说，挖矿不仅可以增加比特币货币供应，而且还可以保护比特币交易安全、防止欺诈交易。从过程来说，比特币网络是一个点对点的支付系统，任何人都可以通过交易程序进行交易。
为了确保交易过程被如实记录，就需要“矿工”这个角色来负责记录比特币交易信息，这个时间间隔是10分钟，矿工中记账最好的交易记录就会被打包存储到一个新的区块中，相应的矿工也会得到一定数量的比特币奖励。
2、挖矿过程极其复杂，非人力所能为
具体的流程如下，当某一个矿工监听到这笔交易时，首先会对交易信息进行验证。通过验证的交易则会被矿工记录下来，保存在自己的数据库里面。全世界可能有成千上万个矿工在进行同一件事，但在每十分钟内，只有一个矿工有权创建新的区块，使自己记录的交易信息被大家所承认并永久地存储下来。
接下来，矿工们就需要争夺记账权，这是一场算力竞赛的比拼，其核心是用计算机完成大量的计算任务，找到一个超难的随机数，这个随机数就是第一段所说的方程特解，最先算出正确随机数的矿工胜出。根据游戏规律，一个矿工获得记账权的几率与其算力占全网算力之和的比例成正比。换句话说，找到该随机数的概率相当于将一亿个骰子扔出，最后骰子总和小于1亿零50。因此，挖矿需要大量的计算机，安装特定的算法软件，日夜重复运行，非人力所能为。
3、比特币挖矿其实就是“村民记账”
可能还是有网友不懂，那就举个例子。在一个村里，村民之间经常会发生借款行为，哪怕写了字据也有违约的风险。那么，在每次村里有借款行为发生的时候，就用村里的大喇叭告知大家，所有的村民（矿工）就在自己的账簿里记下所有交易记录。
比特币挖矿原理是什么?
比特币挖矿就是通过挖矿节点，然后比特币挖矿机（电脑）不断消耗自身的算力，来换取比特币。在比特币系统，通过自身的算法可以动态调整全网节点的挖矿难度，保证每过大约10分钟，就会有一个节点挖矿成功，这时比特币系统就会奖励此人一定数量的比特币。挖比特币是一个比较复杂的过程，不过挖比特币一般会经过这几个步骤，分别是准备工作、找到矿池、注册矿池账号、矿池账号设置、下载比特币挖矿器（软件）、比特币挖矿机配置；经过以上步骤就可以挖矿了。
本条内容来源于：中国法律出版社《中华人民共和国金融法典:应用版》
