比特幣在創建每個區塊時以固定和遞減的速度被＂鑄造＂。平均每10分鐘產生一個包含全新的比特幣的區塊，憑空產生。每隔21萬個區塊，或大約每四年，貨幣發行速率就會下降50％。在網路運轉的前四年，每個區塊包含50個新的比特幣。

2012年11月，比特幣發行速率降至每區塊25比特幣。2016年7月，再次下降到每區塊12.5比特幣。它將在630,000區塊區塊再次減半至6.25比特幣，這將是2020年的某個時間。新硬幣的比率將按照指數規律進行32次＂減半＂，直到6,720,000區塊（大約在2137年開採），達到最低貨幣單位，1 satoshi。大約2140年之後，將有690萬個區塊，發行近2,099,999,997,690,000個satoshis，即將近2100萬比特幣。此後，區塊將不包含新的比特幣，礦工將僅通過交易費獲得獎勵。 Supply of bitcoin currency over time based on a geometrically decreasing issuance rate 展示了隨時間推移流通的比特幣總量，貨幣發行量下降。

在 A script for calculating how much total bitcoin will be issued 的示例程式碼中，我們計算比特幣的發行總量。

Running the max_money.py script 展示了運行腳本的結果

有限和遞減的發行，保證了固定的貨幣供應量，可以抵制通貨膨脹。不同於法定貨幣中央銀行的無限印錢，比特幣永遠不會因印錢而膨脹。

區塊中的第一筆交易是一筆特殊的交易，叫做 幣基交易 coinbase transaction。這筆交易是 Jing 的節點創建的，包含對他的挖礦努力的獎勵。

Jing的節點創建了coinbase交易，對自己錢包的支付：＂支付給Jing的地址25.09094928比特幣＂。Jing開採一個區塊所收取的獎勵總額是幣基獎勵(25個新比特幣)和該區塊所有交易的費用（0.09094928）之和，如 Coinbase transaction 所示。

與一般交易不同，幣基交易不消耗（花費）UTXO作為輸入。它只有一個輸入，叫做 coinbase 幣基，從無創造比特幣。幣基交易有一筆輸出，可支付給礦工自己的比特幣地址。幣基交易的輸出將 25.09094928 比特幣發送到礦工的比特幣地址；在這個例子中，是：1MxTkeEP2PmHSMze5tUZ1hAV3YTKu2Gh1N.

為了創建幣基交易，Jing的節點首先通過累計418筆交易的輸入和輸出計算所有交易費用。計算方式如下：

在區塊 277,316 中，總的交易費用為 0.09094928 比特幣。

接下來，Jing的節點計算新區塊的正確獎勵。獎勵是根據區塊的高度來計算的，從每區塊50比特幣開始，每21萬個區塊減少一半。因為這個方區塊的高度是277,316，正確的獎勵是25比特幣。

在 Bitcoin Core 客戶端的 GetBlockSubsidy 方法中可以看到，如 Calculating the block reward —— Function GetBlockSubsidy, Bitcoin Core Client, main.cpp 所示：

最初的獎勵以 聰（satoshis）為單位，通過50乘以 COIN 常數（100,000,000聰）。這將初始獎勵設置為 50億 satoshis。

然後，方法計算 halvings （減半）的次數，當前區塊高度除減半區間（ SubsidyHalvingInterval ），在這個例子中，是 277,316 / 210,000，結果為1。

最大的減半次數為 64，所以如果超過 64 次減半，程式碼返回 0 （只獎勵費用）獎勵。

接下來，該函數使用二進制右移運算符將獎勵（ nSubsidy ）分為兩半。在277,316區塊的情況下，對50億 satoshis 的獎勵進行二元右移（一次減半），結果為 25億 satoshis 或25個比特幣。使用二進制右移運算符是因為它比多次除法更有效率。為了避免潛在的錯誤，位移操作在63次減半後跳過，補貼設置為0。

最後，幣基獎勵 (nSubsidy) 被加到交易費上 (nFees), 返回總和。

通過這些計算，Jing的節點通過支付其自己 25.09094928 比特幣構建幣基交易。

如你在 Coinbase transaction 中看到, 幣基交易有特殊的格式。不同於指定一個要花費的之前的UTXO的交易輸入，它有一個 "coinbase" 輸入。我們在 [tx_in_stracture] 中檢查交易輸入。讓我們比較一下普通交易輸入和幣基交易輸入。The structure of a "normal" transaction input 展示了普通交易輸入的結構，The structure of a coinbase transaction input 展示了幣基交易輸入的結構。

在幣基交易中，前兩個欄位被設置為不引用UTXO的值。不同於＂交易的Hash＂，第一個欄位填充32個字節，全部設置為零。 ＂輸出索引＂ 填充4個字節，全部設置為0xFF（十進制255）。＂解鎖腳本＂（ scriptSig ）被幣基數據（Coinbase Data）取代，這是礦工使用的數據欄位，我們將在下面看到。

幣基交易沒有解鎖腳本（ scriptSig ）欄位。這個欄位被 coinbase data 替代，該欄位必須包含 2-100 個位元組。除了前幾個位元組，其他的可由礦工填充任意數據。

例如，中本聰在創世區塊的 coinbase data 中加入了文本 "The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks", 將它作為日期的證明，並傳達了一個訊息. 現在，礦工使用 coinbase data 存放額外的隨機值，和識別礦池的字串。

幣基的前幾個位元組以前是隨機的，但現在不是了。根據BIP-34，version-2區塊（版本號為2）必須在幣基交易欄位的開頭包含區塊高度作為腳本 push 操作。

在區塊 277,316 中我們看到的幣基（ 參見 Coinbase transaction ），位於交易輸入的解鎖腳本或 scriptSig 欄位，包含十六進制值 03443b0403858402062f503253482f。讓我們解碼它。

第一個位元組 03 指示腳本執行引擎將接下來的三個位元組壓入腳本堆疊(參見 [tx_script_ops_table_pushdata] )。接下來的三個位元組，0x443b04，是用小端序編碼的區塊高度(倒序，低位位元組優先)。反轉位元組的順序，結果是 0x043b44 ，十進制是277,316。

接下來的幾個十六進制數據（0385840206），編碼了額外的隨機數（參見 額外隨機數解決方案），用於找到PoW的解決方案。

幣基數據的最後部分（ 2f503253482f ）是ASCII編碼的字串 /P2SH/，表明挖到這個區塊的節點支援 BIP-16 中定義的 P2SH 交易。P2SH 能力的引入要求礦工認可BIP-16或BIP-17。支援BIP-16的人將在他們的coinbase數據中包含 /P2SH/。支援P2SH的BIP-17實現的人將字串 p2sh/CHV 包含在他們的coinbase數據中。BIP-16勝出，許多礦工繼續在他們的coinbase中包含字串 /P2SH/ ，以表示對該特性的支援。

Extract the coinbase data from the genesis block 使用 [alt_libraries] 中介紹的 libbitcoin 庫從創世區塊中提取幣基數據，展示中本聰的訊息。注意，libbitcoin 庫包含一份創世區塊的靜態副本，所以示例程式碼可以直接從庫中檢索到創世區塊。

我們使用 GNU C++ 編譯器編譯和運行：

密碼雜湊演算法的關鍵特徵是，在計算上不可能找到產生相同指紋的兩個不同輸入（稱為 碰撞 collision）。作為推論，除了嘗試隨機輸入之外，通過選擇輸入以產生期望的指紋的方式實際上也是不可能的。

使用SHA256，無論輸入是什麼，輸出總是256位的。在 SHA256 example 中，我們使用Python解釋器計算 "I am Satoshi Nakamoto." 的SHA256雜湊值。

SHA256 example 展示了 "I am Satoshi Nakamoto" 的雜湊結果：5d7c7ba21cbbcd75d14800b100252d5b428e5b1213d27c385bc141ca6b47989e. 這個 256位的數字是這句話的 雜湊 hash 或 摘要 digest，基於這句話的每部分。添加一個字母、標點符號，或其他任何字元都將產生不一樣的雜湊值。

現在，如果我們改變語句，會會看到完全不同的雜湊值。讓我們使用 SHA256 script for generating many hashes by iterating on a nonce 中簡單的Python腳本嘗試在尾部添加陣列。

運行它將產生幾個短語的雜湊，通過在文本末尾添加一個數字來使其不同。通過增加數字，我們可以得到不同的雜湊，如 SHA256 output of a script for generating many hashes by iterating on a nonce 所示。

每個短語產生一個完全不同的雜湊結果。它們看起來完全是隨機的，但是你可以在使用Python的任何電腦上再次生成這個示例中的結果，並看到相同的雜湊。

在這種場景中用作變數的數字稱為nonce。nonce用於改變加密函數的輸出，在本例中，是為了改變短語的SHA256指紋。

要對這個演算法提出挑戰，我們來設置一個目標:找到一個短語，它生成一個以0開頭的十六進制雜湊。幸運的是,這並不難! [sha256_example_generator_generator_output] 顯示："I’m Satoshi Nakamoto13" 這個短語產生的是一個符合我們的標準的雜湊值：0ebc56d59a34f5082aaef3d661696c2b618e6243272169531041a5。花了13次才找到它。在概率方面,如果雜湊函數的輸出是均勻分佈的，我們可以期望每16次找到一個以0開頭的結果（16個十六進制數字0到F中的一個）。在數值方面，這就意味著找到一個雜湊值,小於 0 x1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000。我們將這個閾值稱為target，目標是找到一個在數值上小於目標的雜湊值。如果我們減少目標，查找小於目標的雜湊值的任務將變得越來越困難。

打個簡單的比方，想象這樣一個遊戲：玩家不斷地擲一副骰子，試圖擲得比指定的目標少。在第一輪，目標是12個。除非你擲雙六，否則你就能贏。下一輪的目標是11。玩家必須投出10或更少的數值才能獲勝。這同樣是一項簡單的任務，假設幾輪之後，目標是5。現在，超過一半的結果將超過目標而無效。隨著目標降低，要想贏得勝利，擲骰子的次數要成倍增加。最終，當目標是2（可能的最小值）時，每36次投擲中只有一次，或其中的2%，會產生一個勝利的結果。

從一個知道骰子游戲的目標是2的觀察者的角度來看，如果有人成功地投出了一個成功的結果，那麼可以假設他們平均嘗試了36次。換句話說，一個人可以從目標設定的難度中估計成功所需要的工作量。當演算法是基於確定性函數（如SHA256）時，輸入本身就構成了 證明 proof，證明做了一定量的 工作 work 才產生低於目標的結果。所以稱為, Proof-of-Work。

在 SHA256 output of a script for generating many hashes by iterating on a nonce 中, 獲勝的＂nonce＂是13，這個結果可以被任何人獨立的驗證。任何人都可以在短語＂我是中本聰＂後面加上數字13，然後計算雜湊，驗證它是否小於目標。成功的結果也是工作的證明，因為它證明我們做了工作去發現那一次。雖然只需要一次雜湊計算就可以驗證，但我們需要13次雜湊計算才能找到一個有效的nonce。如果我們有一個更低的目標(更高的難度)，那麼需要更多的雜湊計算才能找到一個合適的nonce，但是對於任何人來說，只有一個雜湊計算需要驗證。此外，通過了解目標，任何人都可以使用統計數據來估計困難程度，從而知道需要做多少工作才能找到這樣一個nonce。

比特幣的PoW與 SHA256 output of a script for generating many hashes by iterating on a nonce 所展示的挑戰非常相似。礦機構造一個充滿交易的候選區塊。接下來，挖礦程序計算這個區塊頭的雜湊，看看它是否小於當前的 target。如果雜湊值不小於目標，那麼礦機將修改nonce(通常只將其遞增1次)，並再次嘗試。在比特幣網路目前的難度下，礦工必須嘗試千萬億次，才能找到一個能產生足夠低的區塊頭雜湊的nonce。

一個非常簡單的PoW在 Simplified Proof-of-Work implementation 中以Python實現

運行這段程式碼，你可以設置所需的難度(以位為單位，有多少位前導位必須為零)，並查看電腦需要多長時間才能找到解決方案。在 [pow_example_output] 中，你可以看到它在普通的筆記本上是如何工作的。

如你所見，將難度增加1位會使找到解決方案所需的時間增加一倍。如果考慮整個256位的數字空間，每次將多一個位限制為0，搜索空間就減少了一半。在 [pow_example_output] 中，需要8400萬次雜湊才能找到一個nonce，它產生的雜湊有26個前導位為零。即使以每秒超過12萬次雜湊的速度，在筆記本上也需要10分鐘才能找到這個解決方案。

在編寫本文時，網路正在嘗試查找一個小於以下值的區塊頭雜湊：

如你所見，目標的開頭有很多0，這意味著可以接受的雜湊範圍要小得多，很難找到一個有效的雜湊值。網路要發現下一個區塊，平均每秒需要超過1.8 zeta-hashes(thousand billion billion hashes)。這似乎是一項不可能完成的任務，但幸運的是，網路有每秒產生3個exa-hashes(EH/sec)的處理能力，平均10分鐘就能找到一個block。

在 Using the command line to retrieve block 277,316 中，我們看到這個區塊包含了目標，以一個稱為＂target bits＂或只是＂bits＂，在區塊277,316中的值為 0x1903a30c。該表示法將工作量證明的驗證目標表示為係數/指數格式，前兩個十六進制數字是指數，後六個十六進制數字是係數。因此，在這個區塊中，指數為 0x19，係數為 0x03a30c。

這種表達方式下計算難度目標的公式是：

使用這個公式，和難度bits值 0x1903a30c，可以得到：

十進制就是：

轉換為十六進制：

這意味著高度為277,316的有效區塊是區塊頭的雜湊值小於目標的區塊。在二進制中，該數字必須有超過60個前導位設置為零。有了這樣的難度，一個礦工每秒處理1萬億次雜湊，平均只能每8,496個區塊或每59天尋找到一次解決方案。

正如我們所看到的，目標確定了難度，因此影響了找到工作證明演算法的解決方案所需的時間。這就引出了一個明顯的問題：為什麼困難是可以調整的，由誰來調整，以及如何調整?

比特幣的區塊平均每10分鐘生成一次。這是比特幣的心跳，支撐著貨幣發行的頻率和交易結算的速度。它必須保持不變，不僅是短期的，而是持續幾十年。在這段時間裡，預計電腦的能力將繼續快速增長。此外，參與挖礦的人和電腦的數目也不斷變化。為了保持10分鐘的生成時間，必須考慮這些變化調整挖礦的難度。事實上，工作證明的目標是一個動態參數，它定期調整以滿足10分鐘的區塊間隔目標。簡單地說，可以設置目標值，使當前的挖礦能力導致10分鐘的區塊間隔。

那麼，這種調整是如何在一個完全分散的網路中進行的呢？重新設定目標是獨立地在每個節點上自動進行的。每產生2016個區塊，所有節點都重新設定PoW目標。重新設定目標的公式衡量了找到最後2016個區塊所需的時間，並與預期的20160分鐘(2016個區塊乘以期望的10分鐘區塊間隔)進行了比較。計算實際時間間隔和期望時間間隔的比例，並對目標按比例進行調整(向上或向下)。簡單地說：如果網路發現區塊的速度比每10分鐘快，難度就會增加(目標範圍縮小)。如果區塊發現速度比預期的要慢，那麼難度就會降低(目標範圍增加)。

公式如下：

Retargeting the Proof-of-Work —— CalculateNextWorkRequired() in pow.cpp 展示了 Bitcoin Core 客戶端使用的程式碼。

Interval (2,016 個區塊) 和 TargetTimespan (兩週時間，1,209,600 seconds) 兩個參數在 chainparams.cpp 中定義.

為了避免難度的極端波動，重新設定目標的調整必須小於每個週期4倍。如果所需的目標調整大於4倍，則調整為4倍而不是更多。任何進一步的調整都將在下一個重新設定目標期間完成，因為這種不平衡將持續到下一個2016個區塊。因此，雜湊算力和難度之間的巨大差異可能需要幾個2,016區塊週期來平衡。

請注意，目標與交易的數量或價值無關。這意味著雜湊的算力以及用於保障比特幣安全鎖消耗的電量也完全獨立於交易數量。比特幣可以擴大規模，實現更廣泛的應用，並保持安全，而不需要增加目前的雜湊算力水平。隨著新礦工進入市場競爭獎勵，雜湊算力的增加代表市場的力量。只要足夠的雜湊算力在礦工誠實追求獎勵的控制下進行，就足以防止＂接管＂攻擊，因此足以保證比特幣的安全。

挖礦的難度與電力成本相關，以及比特幣與用於支付電力的貨幣的匯率。高性能的挖礦系統在當前硅片製造方面儘可能地高效，將電力盡可能高地轉化為雜湊算力。對挖礦市場的主要影響是1千瓦小時的比特幣電價，因為這決定了挖礦的盈利能力，因此影響了進入或退出挖礦市場的選擇。

因為區塊鏈是一個去中心化的資料結構，所以它的不同副本並不總是一致的。區塊可能在不同的時間到達不同的節點，導致節點具有不同的區塊鏈的視圖。為了解決這個問題，每個節點總是選擇並嘗試擴展表示最大工作量證明的區塊的鏈，也稱為最長鏈或最大累計工作量鏈。通過將記錄在鏈中的每個區塊中的工作量相加，節點可以計算創建鏈所花費的總工作量。只要所有節點都選擇最大累積工作量的鏈，全球比特幣網路最終就會收斂到一致的狀態。分叉作為區塊鏈版本之間的臨時不一致而出現，隨著其中一個分叉添加更多區塊時，將最終重新聚合並解決。

下面的幾張圖，我們跟蹤網路一個＂分叉＂事件。這些圖是簡化的比特幣網路表示。為方便說明，不同的區塊以不同的形狀表示。網路中的每個節點表示為圓圈。

每個節點都有自己的全局區塊鏈視角。每個節點從鄰居節點接收區塊，更新自己的區塊鏈副本，選擇最大累計工作量的鏈。為方便說明，每個節點包含一個代表當前主鏈的頂部的形狀。所以，你在節點中看到的星形，表示它是主鏈的頂部。

在第一張圖 Before the fork —— all nodes have the same perspective 中，網路對區塊鏈有統一的視角，星形（star）區塊代表主鏈的頂部。

當有兩個候選區塊爭奪形成最長鏈時，發生＂分叉＂。這通常在兩個礦工在相近的時間段內同時解決了Proof-of-Work演算法。兩個區塊發現它們的候選區塊的解決方案後，立即廣播它們的＂獲勝的＂區塊給鄰居節點，以使它們在網路上傳播。每個收到有效區塊的節點都將其整合進區塊鏈，將其擴展一個區塊。如果節點之後收到擴展相同父區塊的區塊，則將其視為次級鏈上的候選區塊。結果是，一些節點先看到第一個候選區塊，另一些則先看到第二個，這就形成了區塊鏈的兩個競爭版本。

在 Visualization of a blockchain fork event: two blocks found simultaneously 中，我們看到兩個礦工（ 節點X 和 節點Y ）幾乎同時挖出了兩個不同的區塊。這兩個區塊都是星形區塊的子區塊，在其之上擴展區塊鏈。為了便於我們追蹤，節點X 產生的標記為三角形（triangle），節點Y產生的標記為倒三角（upside-down triangle）。

例如，我們假設節點X為一個擴展區塊鏈的區塊 ＂triangle＂ 找到了一個PoW解決方案，構建在父區塊 ＂star＂ 之上。幾乎與此同時，同樣從＂star＂擴展鏈的節點Y找到了區塊 ＂upside-down triangle＂ 的解決方案，這是它的候選區塊。兩個區塊都是有效的，兩個區塊都包含一個有效的工作證明解決方案，並且兩個區塊都擴展了相同的父區塊(區塊＂star＂)。這兩個區塊可能包含大部分相同的交易，交易的順序可能只有很少的差異。

當兩個區塊傳播時，一些節點首先接收區塊到＂triangle＂，一些節點首先接收區塊＂upside-down triangle＂。如 Visualization of a blockchain fork event: two blocks propagate, splitting the network ，網路分割為區塊鏈的兩種不同視角：一邊是 triangle，另一邊是 upside-down triangle 。

在圖中，一個隨機選擇的＂節點X＂首先接收到triangle區塊，並用它擴展star鏈。節點X選擇有＂triangle＂區塊的鏈作為主鏈。之後，節點X也接收到＂upside-down triangle＂區塊。由於它是第二名，被認為已經＂輸掉＂了比賽。然而，＂upside-down triangle＂ 區塊並沒有被丟棄。它與＂star＂區塊父鏈相連，形成一個次級鏈。雖然節點X假設它已經正確地選擇了獲勝鏈，但它保留了＂失敗的＂鏈，這樣它就有必要的訊息，如果＂失敗的＂鏈最終＂獲勝＂，則需要重新聚合。

在網路的另一端，節點Y基於自己對事件序列的看法構建區塊鏈。它首先接受了＂upside-down triangle＂，並選擇了那個鏈條作為＂贏家＂。當它後來接收到 ＂triangle＂ 區塊時，它將它作為一個次級鏈連接到＂star＂父區塊。

哪一邊都不是＂正確的＂，或者＂錯誤的＂。兩個都是有效的區塊鏈視角。之後只有一個會勝出，這取決於這兩個相互競爭的鏈如何被後續的工作量擴展。

挖礦視角類似於節點X的節點將立即開始挖一個候選區塊，該區塊以＂triangle＂作為其頂端擴展鏈。通過將＂triangle＂鏈接為候選區塊的父元素，它們使用雜湊算力投票。他們的投票支援了他們選出來的主鏈。

挖礦視角類似於節點Y的節點都將開始以＂upside-down triangle＂為父節點構建候選節點，擴展他們認為是主鏈的鏈。所以，比賽又開始了。

分叉幾乎總是在一個區塊中解決。雖然網路雜湊算力的一部分在＂triangle＂的頂部構建，而另一部分在＂upside-down triangle＂的頂部構建。即使雜湊算力幾乎是平均分配的，也很有可能在一組礦工找到任何解決方案之前，另一組礦工可能已經找到解決方案並傳播它。例如，假設在 ＂triangle＂ 頂部建造的礦工找到了一個新的區塊＂rhombus＂（菱形），它擴展了鏈（例如，star-triangle-rhombus）。它們立即傳播這個新區塊，整個網路將其視為有效的解決方案，如 Visualization of a blockchain fork event: a new block extends one fork, reconverging the network 所示。

所有在前一輪中選擇＂triangle＂作為獲勝者的節點，只需將鏈再延長一個block。然而，選擇＂upside-down triangle＂作為獲勝者的節點現在將看到兩條鏈：star-triangle-rhombus 和 star-upside-down-triangle。star-triangle-rhombus 鏈現在比其他鏈長(累積工作量更多)。因此，這些節點將 star-triangle-rhombus 鏈作為主鏈，將 star-upside-down-triangle 鏈轉化為二級鏈，如 Visualization of a blockchain fork event: the network reconverges on a new longest chain 所示。這是一個鏈的重新收斂，因為這些節點被迫修改他們對區塊鏈的看法，以納入更長的鏈的新證據。任何致力於將鏈基於 upside-down triangle 進行擴展的礦工現在都會停止工作，因為他們的候選區塊是一個＂孤兒＂，因為它的父區塊＂upside-down triangle＂不再是最長的鏈。不屬於＂triangle＂的＂upside-down triangle＂內的交易被重新插入到mempool中，以便在下一個區塊中包含，從而成為主鏈的一部分。整個網路在一個區塊鏈 star-triangle-rhombus 上重新收斂，＂rhombus＂是鏈中的最後一個區塊。所有的礦工立即開始在以 ＂rhombus＂ 作為父區塊的候選區塊上工作，以擴展 star-triangle-rhombus。

理論上，如果礦工在前一個分叉的相對面上幾乎同時發現了兩個區塊，那麼這個分叉可能延伸到兩個區塊。然而，發生這種情況的可能性很小。而一個區塊的fork可能每天都出現，而兩個區塊的fork則最多每隔幾周出現一次。

比特幣區塊的10分鐘間隔是快速確認時間（交易結算）和分叉概率之間的設計折中。更快的區塊時間會使交易清除更快，但會導致更頻繁的區塊鏈分叉，而較慢的區塊時間會減少分叉數量，但會降低交易速度。

自2012年以來，比特幣挖礦已經發展到解決區塊頭結構的根本性限制。在比特幣的早期，礦工可以通過遍歷nonce來找到一個區塊，直到產生的雜湊值低於目標值。隨著困難的增加，礦工經常循環遍歷所有40億個臨時值，而沒有發現區塊。但是，通過更新區塊時間戳以考慮已用時間，這很容易解決。由於時間戳是標題的一部分，所以更改將允許礦工重新遍歷隨機數的值，並獲得不同的結果。但是，一旦挖礦硬體超過 4GH/秒，這種方法變得越來越困難，因為nonce值在不到一秒鐘內就被耗盡了。隨著ASIC挖礦設備開始推進並超過TH /秒雜湊算力，挖礦軟體需要更多的空間來儲存nonce值，以便找到有效的區塊。時間戳可能會稍微延長，但將其變為將來的值會導致該區塊無效。區塊頭中需要新的＂更改＂來源。解決方案是使用幣基交易作為額外的隨機值的來源。因為幣基腳本可以儲存2到100個字節的數據，所以礦工開始使用這個空間作為額外的nonce空間，允許他們探索更大範圍的區塊標題值以找到有效的區塊。幣基交易包含在merkle樹中，這意味著幣基腳本中的任何更改都會導致merkle根發生更改。八個字節的額外隨機數加上4個字節的＂標準＂隨機數允許礦工在不必修改時間戳的情況下總共探索 2⁹⁶（一個8，後接28個0）個可能性。如果將來，礦工可以運行所有這些可能性，他們可以修改時間戳。 幣基腳本中還有更多空間用於將來擴展額外的隨機數空間。

在這個競爭激烈的環境中，獨自工作的礦工（也被稱為獨立礦工）沒有機會。他們發現一個區塊來抵消他們的電力和硬體成本的可能性非常低，所以它代表著賭博，就像玩彩票一樣。即使是最快的ASIC挖礦系統也無法跟上在水力發電附近的巨型倉庫中堆疊數以萬計這些晶片的商業系統。礦工們現在合作形成礦池，彙集他們的算力，在數千名參與者中分享獎勵。通過參與礦池，礦工獲得的整體獎勵佔有率較小，但通常每天都會得到獎勵，從而減少不確定性。

我們來看一個具體的例子。假定礦工已經購買了具有 14,000千兆位/秒（GH/s）或 14TH/s 的雜湊算力的挖礦硬體。 2017年，這臺設備的成本約為2,500美元。硬體在運行時耗電 1375瓦（1.3千瓦），每天耗電33千瓦時，電費非常低，每天花費1美元到2美元。在目前的比特幣難度下，礦工大概每隔4年可以獨自開礦1次。我們如何計算出這個概率？它基於 3EH/sec（2017年）的網路雜湊算力和這個礦工的 14TH/sec 算力：

…​其中 21240 是每4年的區塊數量。礦工每4年找到一個區塊的概率為98%，基於當時的全球雜湊算力。

如果礦工在該時間段內確實找到一個區塊，則可獲得12.5比特幣（每比特幣約1,000美元），一次性收入12,500美元，約7,000美元的淨利潤。但是，在4年內發現區塊的概率取決於礦工的運氣。他可能會在4年內找到兩個區塊並賺取鉅額利潤。或者他可能在5年內找不到一個區塊並遭受更大的經濟損失。更糟糕的是，在當前雜湊算力增長率下，比特幣工作量證明演算法的難度可能會顯著增加，這意味著礦工在硬體過時，必須被更強大的挖礦硬體取代之前最多隻有一年的時間。如果這位礦工參加礦池，而不是等待四年一度的12,500美元的暴利，他將能夠每週賺取大約50美元至60美元。來自礦池的定期收入將幫助他分攤硬體和電力的成本，而不會承擔巨大的風險。硬體在一兩年後仍會過時，風險仍然很高，但在這段時間內收入至少是穩定可靠的。在經濟上，這隻有在非常低的電力成本（每千瓦小時不到1美分）和非常大的規模時才有意義。

礦池通過專門的礦池挖礦協議協調成百上千的礦工。在創建了池中的帳戶後，各個礦工將他們的挖礦設備配置為連接到池伺服器。他們的挖礦硬體在挖礦時仍與池伺服器連接，與其他礦工同步工作。因此，礦池礦工共同努力挖出一區塊，然後分享獎勵。

成功的區塊支付到礦池的比特幣地址，而不是單獨的礦工。池伺服器將定期向礦工的比特幣地址付款，當他們的獎勵的佔有率達到一定的閾值時。通常，池伺服器為提供池挖礦服務收取獎勵的百分比的費用。

加入礦池的礦工將尋找候選區塊解決方案的工作拆分，根據他們的挖礦貢獻贏得＂分成＂。礦池為獲得股份設定了更廣的目標（較低的難度），通常比比特幣網路的目標要容易1000倍以上。當礦池中的某人成功地開採了一個區塊時，獎勵將由礦池賺取，然後與所有參與努力的礦工按比例分成。

礦池開放給任何礦工，無論大小，專業或業餘。因此，一個礦池將有一些參與者擁有一臺小型挖礦機，而其他人則擁有一個裝滿高端挖礦硬體的車庫。一些將採用幾十千瓦的電力進行挖礦，另一些將運行耗用兆瓦級電力的數據中心。礦池如何衡量個人的貢獻，以公平分配獎勵，而不會有作弊的可能性？答案是使用比特幣的Proof-of-Work演算法來衡量每個礦池礦工的貢獻，但設置的難度較小，因此即使是最小的礦池礦工也能夠頻繁贏得一些佔有率，以便為礦池做出貢獻。通過設定較低的賺取佔有率的難度，該池衡量每個礦工完成的工作量。每當一名礦池礦工發現一個區塊頭雜湊值小於池目標時，她就證明她已完成雜湊工作找到了結果。更重要的是，尋求佔有率的工作以統計上可測量的方式貢獻於總體努力，以找到比比特幣網路的目標更低的雜湊值。成千上萬試圖尋找小雜湊值的礦工最終會找到一個足以滿足比特幣網路目標的礦工。

讓我們回到骰子游戲的比喻。如果骰子玩家投擲骰子的目標是投擲出少於4（整體網路難度）的值，則遊戲池將設定更容易的目標，計算遊戲池玩家投擲結果小於8的次數。當選手擲出少於8（池目標）的值時，他們將獲得佔有率，但是他們沒有贏得比賽，因為他們沒有達到比賽目標（少於4）。池玩家可以更頻繁地獲得更容易的池目標，即使他們沒有實現贏得比賽的更難的目標，也可以非常經常地贏得他們的佔有率。無論何時，其中一名球員將擲出少於4的值，並且贏得比賽。然後，收入可以根據他們獲得的佔有率分配給池玩家。儘管8或更少的目標沒有獲勝，但這是測量玩家擲骰子的公平方法，偶爾會產生少於4的投擲。

類似地，礦池將設置（更高和更容易）的池目標，以確保個體池礦工能夠找到經常低於池目標的區塊頭雜湊值，從而獲得佔有率。每隔一段時間，這些嘗試中的一個會產生一個比比特幣網路目標小的區塊頭雜湊值，使其成為一個有效的區塊，並且整個池都會贏。

在 [fork] 中，我們研究了比特幣網路可能會有短暫的分歧，在短時間內，在區塊鏈的兩個不同分支的網路中有兩個部分。我們看到這個過程是如何自然地發生的，作為網路正常運行的一部分，以及在挖一個或多個區塊之後，網路如何在公共區塊鏈上重新收斂。

在另一種情況下，網路可能會分化成以下兩個鏈：共識規則的改變。這種類型的分叉稱為 硬分叉 hard fork，因為在分叉之後，網路不會重新聚合到單個鏈上。相反，這兩條鏈是獨立進化的。當網路的一部分在一組不同於網路其他部分的共識規則下運行時，就會出現硬分叉。這可能是由於錯誤或共識規則執行過程中故意更改而導致的。

硬分叉可以用來改變共識規則，但是它們需要系統中所有參與者之間的協作。任何不升級到新的共識規則的節點都不能參與共識機制，並在硬分叉時被迫進入一個單獨的鏈。因此，硬分叉引入的更改可以被認為是不＂向前兼容＂的，因為在非升級的系統中不能再處理新的共識規則。

讓我們通過一個例子來查看硬分叉的結構。

[blockchainwithfork] 展示了區塊鏈和兩個分叉，在區塊高度為4的地方，出現一個單區塊分叉。這是我們在 [fork] 中看到的自發性分叉類型。在第5區塊的挖礦中，網路在一個鏈上重新聚合，分叉被解決。

然而，稍後，在區塊高6處，出現硬分叉。讓我們假設客戶端的新實現隨共識規則的更改而釋放。從區塊高度7開始，運行這個新實現的礦工將接受一種新的數位簽章類型，我們稱之為＂Smores＂簽名，它不是基於ECDSA的。緊接著，運行新實現的節點將創建一個包含Smores簽名的交易，並運行最新軟體的礦工，挖包含該交易的區塊7b。

任何沒有升級軟體以驗證Smores簽名的節點或礦工現在都無法處理第7b區塊。從他們的角度來看，包含Smores簽名的交易和包含該交易的block 7b都是無效的，因為它們是基於舊的共識規則進行評估的。這些節點將拒絕交易和區塊，不會傳播它們。任何使用舊規則的挖礦人員都不會接受第7b區塊，並將繼續挖父區塊為第6區塊的候選區塊。事實上，如果使用舊規則的礦工連接到的所有節點都遵守舊規則，因此不傳播該區塊，那麼他們甚至可能不會接收到block 7b。最終，他們將能夠挖第7a區塊，該區塊在舊規則下是有效的，不包含任何帶有Smores簽名的交易。

這兩條鏈從這一點開始繼續偏離。＂b＂鏈上的礦工將繼續接受和挖出包含Smores簽名的交易，而＂a＂鏈上的礦工將繼續忽略這些交易。即使block 8b不包含任何經過Smores簽名的交易，＂a＂鏈上的礦工也不能處理它。對他們來說，它似乎是一個孤立的區塊，因為它的父＂7b＂不被認為是一個有效的區塊。

對於軟體開發人員來說，＂fork＂ 這個詞還有另外一個含義，給 ＂hard fork＂ 這個詞增加了混淆。在開放源碼軟體中，當一組開發人員選擇遵循不同的軟體路線圖並啟動一個開放源碼項目的競爭性實現時，就會出現一個fork。我們已經討論了導致硬分叉的兩種情況:共識規則中的錯誤和共識規則的故意修改。在故意改變共識規則的情況下，軟分叉優先於硬分叉。然而，對於這種類型的硬分叉，必須開發、採用和啟動共識規則的新軟體實現。

試圖改變共識規則的軟體分叉的例子包括Bitcoin XT、Bitcoin Classic，以及最近的Bitcoin Unlimited。然而，這些軟體的分叉都沒有帶來一個硬的叉。雖然軟體fork是一個必要的先決條件，但它本身並不足以出現硬fork。要實現一個硬的fork，必須採用競爭的實現，以及由礦商、錢包和中間節點啟用的新規則。相反，有許多Bitcoin Core的替代實現，甚至是軟體分支，它們不會改變共識規則，也不會排除bug，它們可以在網路上共存並互操作，而不會造成硬分叉。

共識規則在交易或區塊的驗證中可能以明顯和明確的方式存在差異。這些規則還可能在更微妙的方面有所不同，比如在適用於比特幣腳本或數位簽章等密碼基元的共識規則的實現上。最後，由於系統限制或實現細節所造成的隱式共識約束，共識規則可能會因未預期的方式而有所不同。在將Bitcoin Core0.7升級到0.8的過程中，在意料之外的硬分叉中可以看到後者的一個例子，這是由於用於儲存區塊的Berkley DB實現的限制造成的。

從概念上講，我們可以把硬分叉看作是分四個階段發展的：軟體分叉、網路分叉、挖礦分叉和鏈分叉。

當開發人員創建修改了共識規則的客戶端替代實現時，流程就開始了。

當這個分叉實現部署到網路中時，一定比例的礦工、錢包用戶和中間節點可以採用並運行這個實現。產生的分叉將取決於新的共識規則是否適用於區塊、交易或系統的其他方面。如果新的共識規則與交易相關，那麼在新規則下創建交易的錢包可能會生成一個網路分叉，然後當交易被挖出到一個區塊時，會出現一個硬分叉。如果新規則涉及到區塊，那麼當在新規則下挖出區塊時，硬分叉過程將開始。

首先，網路將會分叉。基於共識規則的原始實現的節點將拒絕在新規則下創建的任何交易和區塊。此外，遵循原始共識規則的節點將臨時禁止並斷開與發送這些無效交易和區塊的任何節點的連接。因此，網路將被劃分為兩個部分：舊節點只會繼續連接舊節點，新節點只會連接到新節點。基於新規則的單個交易或區塊將在網路中產生連鎖反應，並導致分成兩個網路。

一旦一名礦工使用新規則開採一個區塊，開採算力和鏈也將分叉。新礦工將在新區塊的頂部挖礦，而老礦工將在舊規則的基礎上開採一個單獨的鏈條。分割後的網路將使在獨立的共識規則下操作的礦工不可能接收到彼此的區塊，因為他們連接到兩個獨立的網路。

當礦工們分別開採兩個不同的鏈條時，它們的雜湊算力就會被分割開來。在這兩個鏈之間，可以按任何比例分割挖礦算力。新規則可能只會被少數人遵守，或者被絕大多數算力的礦工遵守。

例如，我們假設 80% —— 20% 分割，大多數挖礦算力使用新的共識規則。假設分叉在重新設定目標的階段後立即開始。

這兩個鏈將從重新設定目標階段繼承難度。新的共識規則將有80%的先前的算力委託給他們。從這條鏈的角度來看，與前一時期相比，挖礦算力突然下降了20%。平均每12.5分鐘就會發現一些區塊，這代表了延伸這條鏈的挖礦算力下降了20%。這種區塊發行速度將持續下去（除非雜湊功率發生變化），直到2016年區塊被開採，這將需要大約25,200分鐘（每區塊12.5分鐘），或17.5天。17.5天后，重新設定目標，難度調整（減少20%），基於該鏈中雜湊算力的減少，再次生成10分鐘的區塊。

在舊規則下，只有20%的雜湊算力，將面臨更加困難的任務。在這條鏈條上，現在平均每50分鐘開採一區塊。接下來2016區塊礦的難度將不會調整，這將需要100,800分鐘，或者大約10周。假設每個區塊有固定的容量，這也將導致交易容量減少5倍，因為每小時記錄交易的區塊更少。

這是共識軟體開發的曙光。正如開源開發改變了軟體的方法和產品，並隨之創造了新的方法、新的工具和新的社區，共識軟體開發也代表了電腦科學的一個新的前沿。從比特幣發展路線圖的辯論、實驗和磨難中，我們將看到新的開發工具、實踐、方法和社區出現。

硬分叉被認為是有風險的，因為它們迫使少數人要麼升級，要麼留在少數人的鏈條上。許多人認為，將整個系統分割成兩個相互競爭的系統的風險是不可接受的。因此，許多開發人員不願意使用硬分叉機制來實現對共識規則的升級，除非整個網路幾乎一致支援。任何沒有得到一致支援的硬分叉提議都被認為太＂有爭議＂，不可能在不危及系統分割的情況下嘗試。

硬分叉的問題在比特幣開發界引起了極大的爭議，尤其是當它涉及對控制最大區塊大小限制的共識規則的任何擬議更改時。一些開發人員反對任何形式的硬分叉，認為這樣做風險太大。另一些人認為，硬分叉機制是升級共識規則的重要工具，以避免＂技術債務＂，並與過去徹底決裂。最後，一些開發人員認為硬分叉是一種應該很少使用的機制，需要進行大量的預先規劃，而且只有在達成幾乎一致的意見下才能使用。

我們已經看到了解決＂硬分叉＂風險的新方法的出現。在下一節中，我們將討論軟分叉，以及BIP-34和BIP-9方法，用於通知和激活共識的修改。

並非所有共識規則的改變都會導致硬分叉。只有共識的變更是向前不兼容的，才會產生一個分叉。如果更改的實現方式使得未修改的客戶端仍然認為交易或區塊在以前的規則下是有效的，那麼更改可以在沒有分叉的情況下發生。

引入soft fork這一術語，將這種升級方法與＂硬分叉＂區分開來。實際上，軟分叉根本不是分叉。軟分是對共識規則的向前兼容更改，允許未升級的客戶端繼續與新規則一致地運行。

軟分叉的一個方面並不明顯，即軟分叉升級只能用於約束共識，而不能擴展它們。為了向前兼容，在新規則下創建的交易和區塊也必須在舊規則下有效，反之亦然。新規則只能限制什麼是有效的；否則，在舊規則下被拒絕時，它們將觸發硬分叉。

軟分叉可以通過多種方式實現 —— 這個術語不指定特定的方法，而是一組方法，它們都有一個共同點：不需要所有節點進行升級，也不需要強制不升級的節點退出共識。

基於NOP操作碼的軟分叉相對來說是沒有爭議的。NOP操作碼放在比特幣腳本中，明確的目標是允許非破壞性升級。

然而，許多開發人員擔心其他的軟分叉升級方法會導致不可接受的折衷。對軟分叉變化的常見批評包括：

在BIP-34中，第一個使用了區塊版本號欄位的實現，允許礦工發出信號，表示已經準備好進行特定的共識規則更改。在BIP-34之前，區塊版本號根據約定設置為＂1＂，不以共識執行。

BIP-34定義了一個共識規則變更，要求幣基交易的coinbase欄位（輸入）包含區塊高度。在BIP-34之前，這個欄位可以包含任意數據。激活BIP-34之後，有效的區塊必須在coinbase的起始處包含特定的區塊高度，並用大於或等於＂2＂的版本號進行標識。

為了表明BIP-34的變化和激活，礦工將區塊版本設置為＂2＂而不是＂1＂。這並沒有立即使版本＂1＂區塊無效。一旦激活，版本＂1＂區塊將變得無效，並且所有版本＂2＂區塊將被要求在coinbase欄位中包含區塊高度才有效。

BIP-34基於1000區塊的滾動窗口定義了兩步激活的機制。礦工將通過構建具有＂2＂作為版本號的區塊來表示他或她對BIP-34的個人準備狀態。嚴格地說，這些區塊並不需要遵守在幣基交易中包含區塊高度的新共識規則，因為共識規則尚未激活。共識規則分兩步啟動：

在BIP-34規則下成功發送信號和啟用後，該機制被再次使用兩次以啟用軟分叉：

在啟用BIP-65後，BIP-34的信號傳導和啟用機制退役並被接下來描述的BIP-9信號傳導機制取代。

標準定義在 BIP-34 (Block v2, Height in Coinbase) 中。

BIP-34，BIP-66和BIP-65使用的機制成功地啟用了三個軟分叉。但是，它被替換了，因為它有幾個限制：

BIP-9 被提出以克服這些挑戰，提高實施未來變革的速度和容易度。

BIP-9 將區塊版本解釋為位域而不是整數。由於區塊版本最初被用作整數使用，版本號1至4，因此有29位可用的位，可用於獨立同時發出29個不同提案的準備就緒信號。

BIP-9 還設置信號和啟用的最長時間。這樣，礦工不需要永遠發出信號。如果提案在 TIMEOUT 期限內（在提案中定義）未啟用，則提議被視為被拒。該建議可能會重新提交以用不同的位進行信號傳輸，從而更新啟用期。

此外，在超過 TIMEOUT 並且某個功能被激活或拒絕之後，信號位可以被重新用於其他功能而不會造成混淆。因此，多達29個變化可以並行發送，TIMEOUT 之後可以＂循環＂以提出新的更改。

建議的更改由包含以下欄位的資料結構標識：

與BIP-34不同，BIP-9基於2016個區塊的難度重新設定目標階段計算整個區間的啟用信號。對於每個重新定位週期，如果支援提案的信號的區塊的總數超過95％（2016區塊中1916區塊），則該提議將在下一個重新設定目標階段內啟用。

BIP-9 提供了一個提案狀態圖，以說明提案的各個階段和狀態轉換，如 BIP-9 state transition diagram 中所示。

一旦參數在比特幣軟體中已知（定義），提案就以 DEFINED 狀態開始。對於MTP在開始時間之後的區塊，提案狀態將轉換為 STARTED。如果在重新設定目標週期內超過投票閾值並且沒有超時，則提案狀態轉換為 LOCKED_IN。一個重新設定目標週期後，提案變為 ACTIVE 。一旦它們達到該狀態，建議一直保持 ACTIVE 狀態。如果在達到投票閾值之前超時，提案狀態更改為 FAILED，表示被拒絕的提案。 FAILED 提案永遠處於該狀態。

BIP-9 首先用於激活 CHECKSEQUENCEVERIFY 和相關的 BIP（68,112,113）。名為＂csv＂的提案已於2016年7月成功啟用。

標準定義在 BIP-9 (Version bits with timeout and delay) 中.