比特币区块
比特币区块由区块头和该区块所包含的交易列表组成。区块头大小为80字节，其构成包括：
 
　　4字节：版本号
　　32字节：上一个区块的哈希值
　　32字节：交易列表的Merkle根哈希值
　　4字节：当前时间戳
　　4字节：当前难度值
　　4字节：随机数Nonce值
 
　此80字节长度的区块头，即为比特币Pow算法的输入字符串。
　交易列表附加在区块头之后，其中第一笔交易为矿工获得奖励和手续费的特殊交易。

//src/primitives/block.h
class CBlockHeader
{
public:
    //版本号
    int32_t nVersion;
    //上一个区块的哈希值
    uint256 hashPrevBlock;
    //交易列表的Merkle根哈希值
    uint256 hashMerkleRoot;
    //当前时间戳
    uint32_t nTime;
    //当前挖矿难度，nBits越小难度越大
    uint32_t nBits;
    //随机数Nonce值
    uint32_t nNonce;
    //其它代码略
};

class CBlock : public CBlockHeader
{
public:
    //交易列表
    std::vector vtx;
    //其它代码略
};

算法原理
　　Pow的过程，即为不断调整Nonce值，对区块头做双重SHA256哈希运算，使得结果满足给定数量前导0的哈希值的过程。其中前导0的个数，取决于挖矿难度，前导0的个数越多，挖矿难度越大。简单来说，挖矿就是用不同的随机数重复计算区块头的哈希值，直到找到一个满足条件的哈希值。
 
　　具体如下：
 
　　1、生成铸币交易，并与其它所有准备打包进区块的交易组成交易列表，生成Merkle根哈希值。
　　2、将Merkle根哈希值，与区块头其它字段组成区块头，80字节长度的区块头作为Pow算法的输入。
　　3、不断变更区块头中的随机数Nonce，对变更后的区块头做双重SHA256哈希运算，与当前难度的目标值做比对，如果小于目标难度，即Pow完成。
 
　　Pow完成的区块向全网广播，其他节点将验证其是否符合规则，如果验证有效，其他节点将接收此区块，并附加在已有区块链之后。之后将进入下一轮挖矿。

  SHA256（
        SHA256(nVersion, hashPrevBlock, hashMerkleRoot, nTime, nBits, nNonce)
  ) < TARGET

//Pow算法实现src/rpc/mining.cpp
UniValue generateBlocks(std::shared_ptr coinbaseScript, int nGenerate, uint64_t nMaxTries, bool keepScript)
{
    static const int nInnerLoopCount = 0x10000;
    int nHeightEnd = 0;
    int nHeight = 0;

    {   // Don't keep cs_main locked
        LOCK(cs_main);
        nHeight = chainActive.Height();
        nHeightEnd = nHeight+nGenerate;
    }
    unsigned int nExtraNonce = 0;
    UniValue blockHashes(UniValue::VARR);
    while (nHeight < nHeightEnd)
    {
        std::unique_ptr pblocktemplate(BlockAssembler(Params()).CreateNewBlock(coinbaseScript->reserveScript));
        if (!pblocktemplate.get())
            throw JSONRPCError(RPC_INTERNAL_ERROR, "Couldn't create new block");
        CBlock *pblock = &pblocktemplate->block;
        {
            LOCK(cs_main);
            IncrementExtraNonce(pblock, chainActive.Tip(), nExtraNonce);
        }
        //不断变更区块头中的随机数Nonce
        //对变更后的区块头做双重SHA256哈希运算
        //与当前难度的目标值做比对，如果小于目标难度，即Pow完成
        //uint64_t nMaxTries = 1000000;即重试100万次
        while (nMaxTries > 0 && pblock->nNonce < nInnerLoopCount && !CheckProofOfWork(pblock->GetHash(), pblock->nBits, Params().GetConsensus())) {
            ++pblock->nNonce;
            --nMaxTries;
        }
        if (nMaxTries == 0) {
            break;
        }
        if (pblock->nNonce == nInnerLoopCount) {
            continue;
        }
        std::shared_ptr shared_pblock = std::make_shared(*pblock);
        if (!ProcessNewBlock(Params(), shared_pblock, true, nullptr))
            throw JSONRPCError(RPC_INTERNAL_ERROR, "ProcessNewBlock, block not accepted");
        ++nHeight;
        blockHashes.push_back(pblock->GetHash().GetHex());

        //mark script as important because it was used at least for one coinbase output if the script came from the wallet
        if (keepScript)
        {
            coinbaseScript->KeepScript();
        }
    }
    return blockHashes;
}
//生成系统交易和创建新块src/miner.cpp
std::unique_ptr BlockAssembler::CreateNewBlock(const CScript& scriptPubKeyIn, bool fMineWitnessTx)
{
    int64_t nTimeStart = GetTimeMicros();

    resetBlock();

    pblocktemplate.reset(new CBlockTemplate());

    if(!pblocktemplate.get())
        return nullptr;
    pblock = &pblocktemplate->block; // pointer for convenience

    pblock->vtx.emplace_back();
    pblocktemplate->vTxFees.push_back(-1); // updated at end
    pblocktemplate->vTxSigOpsCost.push_back(-1); // updated at end

    LOCK2(cs_main, mempool.cs);
    CBlockIndex* pindexPrev = chainActive.Tip();
    nHeight = pindexPrev->nHeight + 1;

    //版本号
    pblock->nVersion = ComputeBlockVersion(pindexPrev, chainparams.GetConsensus());
    if (chainparams.MineBlocksOnDemand())
        pblock->nVersion = gArgs.GetArg("-blockversion", pblock->nVersion);

    //当前时间戳
    pblock->nTime = GetAdjustedTime();
    const int64_t nMedianTimePast = pindexPrev->GetMedianTimePast();

    nLockTimeCutoff = (STANDARD_LOCKTIME_VERIFY_FLAGS & LOCKTIME_MEDIAN_TIME_PAST)
                       ? nMedianTimePast
                       : pblock->GetBlockTime();
    fIncludeWitness = IsWitnessEnabled(pindexPrev, chainparams.GetConsensus()) && fMineWitnessTx;

    int nPackagesSelected = 0;
    int nDescendantsUpdated = 0;
    addPackageTxs(nPackagesSelected, nDescendantsUpdated);

    int64_t nTime1 = GetTimeMicros();

    nLastBlockTx = nBlockTx;
    nLastBlockWeight = nBlockWeight;

    //创建铸币交易
    CMutableTransaction coinbaseTx;
    coinbaseTx.vin.resize(1);
    coinbaseTx.vin[0].prevout.SetNull();
    coinbaseTx.vout.resize(1);
    //挖矿奖励和手续费
    coinbaseTx.vout[0].scriptPubKey = scriptPubKeyIn;
    coinbaseTx.vout[0].nValue = nFees + GetBlockSubsidy(nHeight, chainparams.GetConsensus());
    coinbaseTx.vin[0].scriptSig = CScript() << nHeight << OP_0;
    //第一笔交易即为矿工获得奖励和手续费的特殊交易
    pblock->vtx[0] = MakeTransactionRef(std::move(coinbaseTx));
    pblocktemplate->vchCoinbaseCommitment = GenerateCoinbaseCommitment(*pblock, pindexPrev, chainparams.GetConsensus());
    pblocktemplate->vTxFees[0] = -nFees;

    LogPrintf("CreateNewBlock(): block weight: %u txs: %u fees: %ld sigops %d\n", GetBlockWeight(*pblock), nBlockTx, nFees, nBlockSigOpsCost);

    //上一个区块的哈希值
    pblock->hashPrevBlock  = pindexPrev->GetBlockHash();
    UpdateTime(pblock, chainparams.GetConsensus(), pindexPrev);
    //当前挖矿难度
    pblock->nBits          = GetNextWorkRequired(pindexPrev, pblock, chainparams.GetConsensus());
    //随机数Nonce值
    pblock->nNonce         = 0;
    pblocktemplate->vTxSigOpsCost[0] = WITNESS_SCALE_FACTOR * GetLegacySigOpCount(*pblock->vtx[0]);

    CValidationState state;
    if (!TestBlockValidity(state, chainparams, *pblock, pindexPrev, false, false)) {
        throw std::runtime_error(strprintf("%s: TestBlockValidity failed: %s", __func__, FormatStateMessage(state)));
    }
    int64_t nTime2 = GetTimeMicros();

    LogPrint(BCLog::BENCH, "CreateNewBlock() packages: %.2fms (%d packages, %d updated descendants), validity: %.2fms (total %.2fms)\n", 0.001 * (nTime1 - nTimeStart), nPackagesSelected, nDescendantsUpdated, 0.001 * (nTime2 - nTime1), 0.001 * (nTime2 - nTimeStart));

    return std::move(pblocktemplate);
}

比特币挖矿难度计算

  难度值不是一成不变的，因为计算的算力越来越强大，为了维持每10分钟生成一个区块的节奏，难度根据如下方式进行调整：
  新难度值 = 当前难度值 * 最近2016个区块花费的时间 / 14*24*3600秒
　　
  每10分钟新产生一个区块，那么产生2016个区块需要14天(2016 * 10分钟）。所以比特币差不多每两周会调整一下难度值，每创建2016个块后将计算新的难度，此后的2016个块使用新的难度。计算步骤如下：
 
　　1、找到前2016个块的第一个块，计算生成这2016个块花费的总时间。
即最后一个块的时间与第一个块的时间差。时间差不小于3.5天，不大于56天。
　　2、计算前2016个块的难度总和，即单个块的难度 * 总时间。
　　3、计算新的难度，即2016个块的难度总和/14天的秒数，得到每秒的难度值。
　　4、要求新的难度，难度不低于参数定义的最小难度。
 
//调整挖矿的难度src/pow.cpp
//nFirstBlockTime即前2016个块的第一个块的时间戳
unsigned int CalculateNextWorkRequired(const CBlockIndex* pindexLast, int64_t nFirstBlockTime, const Consensus::Params& params)
{
    if (params.fPowNoRetargeting)
        return pindexLast->nBits;

    //计算生成这2016个块花费的时间
    int64_t nActualTimespan = pindexLast->GetBlockTime() - nFirstBlockTime;
    //不小于3.5天
    if (nActualTimespan < params.nPowTargetTimespan/4)
        nActualTimespan = params.nPowTargetTimespan/4;
    //不大于56天
    if (nActualTimespan > params.nPowTargetTimespan*4)
        nActualTimespan = params.nPowTargetTimespan*4;

    // Retarget
    const arith_uint256 bnPowLimit = UintToArith256(params.powLimit);
    arith_uint256 bnNew;
    bnNew.SetCompact(pindexLast->nBits);
    //计算前2016个块的难度总和
    //即单个块的难度*总时间
    bnNew *= nActualTimespan;
    //计算新的难度
    //即2016个块的难度总和/14天的秒数
    bnNew /= params.nPowTargetTimespan;

    //bnNew越小，难度越大
    //bnNew越大，难度越小
    //要求新的难度，难度不低于参数定义的最小难度
    if (bnNew > bnPowLimit)
        bnNew = bnPowLimit;

    return bnNew.GetCompact();
}

原文：https://blog.csdn.net/weixin_41545330/article/details/79375292