本文主要介绍比特币挖矿的基本算法，想要了解什么是比特币的同学可以先看这里：什么是比特币
比特币是底层基于区块链的应用，比特币挖矿是将最近的比特币交易数据打包成一个新的区块，添加到区块链中。
挖矿的任务
- 保证已有比特比交易的正常进行
- 产生新的比特币
挖矿的收益来源
区块中所包含的每笔交易的交易费
每笔交易的交易费是不确定的，由交易者自己决定，交易费用高的交易被挖矿者打包成区块的速度更快，从而交易也能更快的确认生成一个新的区块奖励比特币
目前生成一个新的区块的奖励12.5的比特币，随着比特币的数量增加，奖励会越来越少。按照现在的挖矿速度，截至2140年挖矿不会产生新的比特币奖励，所有比特币将会挖完（2100万）。这时挖矿收入只能来源比特币交易中的交易费。
比特币区块的结构
在介绍挖矿算法之前先看看比特币区块的结构， 一个完整的区块结构如下，其中主要的数据是区块头和区块中所包含的比特币交易信息
| 大小 | 字段 | 描述 |
|---|---|---|
| 4字节 | 区块大小 | 用字节表示的该字段之后的区块大小 |
| 80字节 | 区块头 | 组成区块头的几个字段 |
| 1-9 （可变整数） | 交易计数器 | 交易的数量 |
| 可变的 | 交易 | 记录在区块里的交易信息 |
我们主要看区块头的具体结构
| 大小 | 字段 | 描述 |
|---|---|---|
| 4字节 | 版本 | 版本号，用于跟踪软件/协议的更新 |
| 32字节 | 父区块哈希值 | 引用区块链中父区块的哈希值 |
| 32字节 | Merkle根 | 该区块中交易的merkle树根的哈希值 |
| 4字节 | 时间戳 | 该区块产生的近似时间（精确到秒的Unix时间戳） |
| 4字节 | 难度目标 | 该区块工作量证明算法的难度目标（difficulty) |
| 4字节 | Nonce | 用于工作量证明算法的计数器 |
区块头大小是80个字节，其中包含区块链中上一个区块的hash值，通过hash值可以在链上查找到上一个区块。所以区块链的结构类似单向链表的结构，通过任意一个区块都可以向上查找到比特币的第一个区块（创世区块）。
在比特币区块链中，第517552号区块头部如下：
生成新区块
挖矿是将80字节的区块头进行SHA256计算，运算结果是一个256位长度的值。然后再通过与当前难度值比较大小来判断当前区块是否合法，计算公式如下：
HASH256（HASH256（区块头））< pdiff / Diffculty（bdiff)
如果不满足上面的条件，则改变区块头中的随机值（Nonce)，然后再重复上面的计算。公式中pdiff 称为矿池难度，是一个256位长度的常量，表示如下：
0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
前30位是0，后续所有位都是1。
区块头的hash计算所得的值必须介于 0 和 pdiff 之间，而且在这个区间随机取值。Difficult 的取值比 pdiff 小，而且 Difficult 越小，满足条件的Nonce值越难找到，挖矿所需要的时间越长。这里面的 Difficulty 是一个介于 0~ 2^32的值，这个值通常成为 bdiff。
- 当Difficulty取最小值 1 时，挖矿难度最小，此时区块头的hash值小于pdiff 即可满足条件
- 当Difficulty取最大值 2^32 时，挖矿难度最大，区块头的hash值必须要小于以下值：
0x00000000FFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000
由于Hash算法的特性，上面的公式不能逆向推到。只能通过暴力搜索 Nonce值，使区块头的hash值符合上面的公式。根据当前矿机的算力，平均每十分钟可以算出一个有效的Noce值，生成一个区块。不过这个值不是确定的，可能是几秒钟一个，也有可能是一个小时一个。
参考：
比特币块链和挖矿原理： http://www.8btc.com/bitcoin_block_chain
比特币区块结构解析：https://blog.csdn.net/u013137970/article/details/69891985
区块链技术指南：https://yeasy.gitbooks.io/blockchain_guide/content/
