硬核丨BTC的挖矿算法究竟是如何运算的？

作者 | Sajjad Hussain

比特币挖矿是比特币系统安全的一个关键部分。其原理是，比特币矿工将一堆比特币交易归为一个区块，然后反复执行一种叫做Hash的加密操作几十亿次，直到有人找到一个特殊的目标Hash值。至此，该区块即被开采并成为比特币区块链的一部分。Hash 任务本身并不能完成任何有价值的任务，但由于通过它找到一个成功的目标值非常困难，所以它确保了没有人拥有接管比特币系统的能力和资源。

Hash 函数是指输入一个数据区块并创建一个较小的、不可预测的输出。Hash 函数的设计使得没有 "捷径 "来获得所需的输出结果--你只能不断地对区块进行Hash操作，直到你通过蛮力找到有效的一个结果为止。对于比特币来说，Hash 函数是一个叫做SHA-256的函数。为了提供更高的安全性，比特币将连续重复SHA-256函数两次，这个过程被称为双SHA-256。

在比特币中，一个成功的Hash值是一个以足够多的零开头的数值。就像很少能找到一个以多个0结尾的电话号码或车牌一样，很少能找到一个以多个0开头的Hash。但比特币的难度是呈指数倍增加的。目前，一个成功的Hash必须从大约17个0开始。换句话说，找到一个成功的Hash比在地球上所有沙粒中找到某一粒沙子还要难。

下图显示了比特币区块链中的一个区块以及它的Hash值。黄色的字节经过Hash后生成区块Hash值。在这种情况下，生成的Hash值以足够多的0开始，因此此次挖矿成功。然而，Hash很难一次得到的，在这种情况下，矿工会改变nonce值或其他区块内容，然后进行反复尝试。

比特币使用的SHA-256Hash算法

SHA-256的Hash算法采用512位（即64个字节）的输入块，对数据进行加密组合，并产生256位（32个字节）的输出。SHA-256算法由重复64次的相对简单的回合组成。下图显示了一个回合，它需要8个4字节的输入--A到H，然后执行一些操作，并生成A到H的新值。

蓝色方框以非线性的方式将数值混合在一起，因此很难用密码学分析这些值。由于算法使用了几个不同的函数，所以发现攻击就更难了。(如果你能找出一种数学捷径来生成成功的Hash值，你就可以接管比特币挖矿了)。

Ma大多数框看A、B、C的位数，对于每个位置，如果多数位数为0，则输出0，否则输出1。也就是说，对于A、B、C的每个位置，看1位的数量。如果是0或1，输出0，如果是2或3，输出1。

Σ0框将A的位数反转，形成三个反转版本，然后将它们相加模数为2。换句话说，如果1位的数量是奇数，则和为1，否则为0，和中的三个值分别是A向右反转2位、13位和22位。

Ch "选择 "框根据输入E的值选择输出位，如果E的某位为1，则输出位为F的对应位，如果E的某位为0，则输出位为G的对应位，这样，F和G的位就根据E的值进行随机选择。

下一框Σ1对E的位进行反转和，除了移位是6位、11位和25位外，其他与Σ0类似。

红框执行32位加法，生成A和E的新值，输入Wt是基于输入数据，稍加处理。(这是输入块被输入到算法中的地方。)输入Kt是为每一轮定义的常数。

从上图可以看出，一轮中只有A和E是变化的。其他值不变通过，旧的A值变成新的B值，旧的B值变成新的C值，以此类推。虽然SHA-256的每一轮都不会对数据有太大的改变，但64轮之后，输入的数据将完全被扰乱。

这对挖矿的硬件意味着什么？

SHA-256的每一步在数字逻辑中都非常容易实现--简单的布尔运算和32位加法。（如果你学过电子学，你可能已经可以把电路可视化了）。出于这个原因，定制的ASIC芯片可以在硬件中非常高效地实现SHA-256算法，在一个芯片上并行地放上几百轮。

相比之下，Litecoin、Dogecoin和类似的altcoins使用Crypt Hash算法，该算法被有意设计成难以在硬件中实现的形式。它将1024个不同的Hash值存储到内存中，然后以不可预测的方式将它们结合起来，以获得最终结果。因此，与SHA-256 Hash相比，Scrypt需要更多的电路和内存。你可以通过查看挖矿硬件来了解其影响，Scrypt（Litecoin等）的计算速度比SHA-256（比特币）慢数千倍。

SHA-256算法出乎意料的简单，很容易手动完成。(用于签署比特币交易的椭圆曲线算法用手计算会非常痛苦，因为它有很多32字节整数的乘法)。手工做一轮SHA-256花了我16分45秒。按照这个速度，Hash一个完整的比特币区块(128轮)需要1.49天，每天的Hash率为0.67次(虽然我可能会通过练习变得更快)。相比之下，目前的比特币挖矿硬件每秒可以做到几兆次的Hash，比我的手动Hash快了约五千万倍。不用说，手动比特币挖矿根本不实用。

有Reddit读者问到我的能量消耗。其实不需要太多能量消耗，所以假设静止代谢率为1500kcal/天，人工Hash的能耗差不多为10兆焦耳/Hash。一般挖矿硬件的能耗是1000兆焦耳/Hash。所以，我的能源效率低了10¹⁶。接下来的问题是能源成本。一个便宜的食物能量来源是甜甜圈，200千卡的热量是0.23元。这里的电是0.15美元/千瓦时，便宜了6.7倍--比我预期的要接近。因此，我每Hash的能源成本大约是挖矿硬件的67倍。很明显，我不会靠人工挖矿发家致富，我甚至还没有包括我需要的所有纸和铅笔的成本。

Sajjad Hussain   作者
李翰博   翻译
Olivia   编辑