比特幣區塊鏈挖礦原理入門由淺到深
自從開始學習區塊鏈相關知識之後，腦袋中對於挖礦的機制開始有越來越多的問號。而網路上大部分的文章都只有講到一些大面向，並沒有談到一些細節的部份，於是就稍微整理下關於挖礦的整體流程。
這篇文章將會著重在挖礦的流程與細節部分，因此只會稍微帶過一些基礎的知識。這篇文章也不是在教學如何開始挖礦，而是挖礦的原理部分。
甚麼是挖礦?
先從最基本說起，比特幣區塊鏈是一個紀錄在比特幣上所有交易的帳本，你可以想像每一個區塊就是帳本上的一頁，每一個區塊(頁)上都寫著很多筆的交易。
在中心化的世界中，會有一個被大家信任中央機關負責管理這本帳本，例如:中央銀行，並將新的交易持續紀錄在帳本上。而在比特幣的世界中，我們拿掉了這個中央機關，改成讓所有節點都各自擁有這本帳本。
挖礦就是要決定出負責更新下一個區塊的節點，在挖礦比賽中勝出的礦工可以更新下一個區塊並獲得獎勵，其他所有節點會驗證這個區塊並更新自己的帳本，形成了去中心化的世界。
挖礦的過程是一個猜數字比賽，你可以想像成一個丟骰子比賽，誰先丟出小於3點的點數(1或2)就贏了，但這個骰子如果只有六面那就太簡單了，在挖礦的世界裡這個骰子是個好幾億(天文數字)面的骰子。
在挖礦的過程中礦工會耗費大量的能源去猜這個數字，為了讓這些辛勤的礦工繼續的賣命工作，中本聰設置了一個獎勵機制，獎勵勝利的礦工新挖出來的比特幣(目前是12.5個比特幣)加上這個區塊中所有交易的交易手續費。所以大家普遍認知挖礦是為了要獲利，但其實挖礦的理念是為了維持比特幣的去中心化。
在對挖礦有初步了解後，接下來進入到挖礦流程細節的部分
挖礦流程
在所有的流程中，都是持續聽取網路上發生的新事情，不斷的將新交易加入到交易池中，並確認是否有人挖到新的區塊
- 在上一輪挖礦結束後，將最新的區塊更新到自己的帳本上，並把已確認的交易從交易池中刪除。
- 創建候選區塊(candidate block)，並從交易池中選擇喜歡的交易(通常是有較高手續費的交易)並把他們打包到候選區塊中
- 創建Coinbase transaction，也就是獎勵的部分，包含了基本的新比特幣獎勵以及交易手續費。獎勵將是區塊中呈現的第一筆交易，因為其中新的比特幣不是從誰誰誰那裡交易過來的，而是無中生有的。
- 創建區塊頭(Block Header)，包括版本號、上一個區塊的hash、Nonce…等等
- 開始挖礦，猜測Nonce來更新區塊的哈希(hash)值
- (假設你是第一個猜到的礦工)成功挖出區塊，並廣播給你鄰近的節點讓他們驗證，若區塊是合法的，這些節點會再把區塊廣播下去並更新他們自己的帳本
- 下一輪挖礦競賽開始
再更深入一點…
我們針對第四個步驟進行更深入的探討，也就是猜測哈希值部分
比特幣區塊鏈使用的是SHA256算法，也就是說我們把區塊頭的東西都丟進去後會產生一個64位元的16進位數字:
SHA256( Block Number, Timestamp, Nonce, Data, Prev. Block’s Hash)➝
0f8ef3377b30fc47f96b48247f463a726a802f62f3faa03d56403751d2f66c67
這個輸出是無法預測的，接下來我們只要不斷的變更Nonce值，讓輸入值(Input)不同，就會獲得不同的哈希值(Output)
那哪個哈希值才是正確答案?
在比特幣中為了要讓平均產出區塊的時間落在10分鐘左右，設置了一個難度目標值(Difficulty Target)，猜測出的數字必須要小於這個目標值才算正確，大於目標值的結果全部都算是錯誤。
上圖將所有的哈希值從小到大向上排列，從最底層(最小的哈希值)到目標值(Target)都是正確的哈希值。一個符合某目標的哈希值例子:
000000000000000000000000f8ef337347f96b42743260f62f3a3d56751d2c67
簡單來說，這個目標值可以看成是領頭”0"的數量。一個16進位的64位元數字有1⁶⁶⁴種不同的結果，假設目標值是前面18位元都要是0，那低於目標值的數就只剩下1⁶⁴⁶個。而隨機猜中低於目標值的數(正確答案)的機率就是:
1⁶⁴⁶/1⁶⁶⁴= 0.00000000000000000002%
因此我們可以藉由減少或增加領頭0的數量，來增加或減少難度。
假設我們將目標值設成只要最前面的一個數字是0就好，那我們的難度就直接降低到1⁶⁶³/1⁶⁶⁴=1/16=6.25%
問題來了…
在挖礦過程中，我們藉由猜測Nonce來找到符合目標的哈希值，但在區塊頭中，Nonce的大小是32bits，也就是²³²，約40億種可能，這就產生了兩個問題:
- 有可能找不到適合的Nonce使得哈希值低於目標值。
- 平均一台挖礦的機器一秒鐘可以計算1億個哈希值，也就是只要40秒就可以試完所有的Nonce
但比特幣平均十分鐘才挖出一個區塊?
?????????????
所以挖礦機制中除了Nonce其實還有兩個隱藏的關鍵解決了這個問題:
- 輸入值中的時間戳記會隨著時間而改變
因為時間戳記每一秒都在更新，每過一秒你的輸入和輸出就會變得完全不同，嘗試過的Nonce就會因此產生出不同的結果。因此若你的礦機運算的超級快，在一秒之內就把所有的Nonce全部試完了，你可以等下一秒再全部試一次。
那如果你不想等下一秒呢?因此還有第二個關鍵:
2. 更換被打包的交易組合
同樣的道理，若交易組合被更換了，造成輸入值的改變，而得到的哈希值也會截然不同，因此我們就可以不休息，不斷挖礦。
