挖矿生成新区块是通过工作量证明（PoW）机制，矿工竞争解决密码学难题以验证交易并扩展区块链的过程；交易打包则是矿工将待确认交易经验证后按优先级排序，整合至新区块交易池的过程。这两个过程共同构成了区块链网络维持去中心化账本的核心机制，以下从技术细节和实际流程展开说明。
一、挖矿生成新区块：从交易验证到全网共识
1. 交易收集与验证：构建区块的“原材料”
区块链网络中，用户发起的每笔交易（如转账、智能合约调用）会被广播至全网节点。节点首先独立验证交易合法性：检查数字签名是否有效、发起者账户余额是否充足、是否存在双花等异常。验证通过的交易进入节点的“内存池”（Mempool），等待被矿工打包。这一步确保了只有合规交易才可能进入后续区块，是区块链安全性的第一道防线。
2. 构建区块头部：区块链的“身份证”
矿工从内存池中筛选交易后，需构建区块的核心部分——区块头。区块头包含6个关键字段，共同决定区块的唯一性和合法性：
- 版本号：标识区块链协议版本，确保节点间兼容性；
- 父区块哈希：前一区块的SHA-256哈希值，使区块链形成不可篡改的链式结构；
- Merkle根：将打包交易通过Merkle树算法生成的唯一摘要，可快速验证交易完整性；
- 时间戳：当前UTC时间，精确到秒，用于难度调整和交易时序记录；
- 难度目标：网络设定的哈希值阈值（如比特币2025年目标值约为
0x1d00ffff对应的数值），决定挖矿难度； - 随机数（Nonce）：矿工通过穷举调整的32位变量，是寻找有效哈希的关键。
其中，Merkle根的生成过程尤为重要：矿工将交易两两哈希，逐层向上合并，最终形成一个根哈希值，这使得仅通过区块头即可验证任意交易是否存在于区块中，大幅提升了数据校验效率。
3. 寻找有效哈希：PoW的“算力竞赛”
挖矿的核心是通过算力竞争寻找符合难度目标的区块头哈希。矿工需对区块头进行SHA-256双哈希运算（即对哈希结果再次哈希），目标是使输出值小于或等于难度目标。由于哈希函数的随机性，矿工需不断调整Nonce值重复计算，直到找到符合条件的哈希（如以多个0开头的00000000000abc...）。
以比特币为例，2025年全网算力已超400 EH/s（1 EH/s=10¹⁸次哈希/秒），意味着全网每秒可尝试约4×10²⁰次哈希运算。平均而言，矿工需尝试约2³²次Nonce值（即42亿次）才能找到有效哈希，这一过程消耗大量算力，正是PoW“工作量”的体现。
4. 难度动态调整：维持网络稳定的“调节器”
为确保区块链出块速度稳定（比特币目标为10分钟/块），网络会定期调整难度目标。比特币每2016个区块（约2周）根据前2016个区块的实际出块时间调整难度：若实际时间短于2周（算力上升），难度升高；反之则降低。难度调整公式为：
[ \text{新难度} = \text{旧难度} \times \frac{\text{实际出块时间}}{\text{目标出块时间}} ]
2025年，由于ASIC矿机迭代（如台积电7nm芯片单机算力达200 TH/s），比特币难度已较2010年上升约10²⁰倍，确保了即使算力爆炸式增长，出块时间仍稳定在10分钟左右。
5. 区块广播与共识：从“孤块”到“主链”
当矿工找到有效哈希后，会立即将新区块广播至全网。其他节点收到区块后，需快速验证两个核心条件：区块头哈希是否小于难度目标，以及交易是否合法（如Coinbase交易金额是否符合区块奖励规则）。验证通过后，节点将该区块添加至本地链，并继续基于新区块挖矿。
若同时有多个矿工挖出区块（“孤块”），网络会通过“最长链规则”达成共识：节点自动选择累计算力最大的链作为主链，孤块则被抛弃。这一机制确保了即使存在短暂分叉，最终网络仍会收敛至唯一正确的账本。
二、交易打包：从内存池到区块的“优先级排序”
1. 优先级规则：手续费决定“插队权”
内存池中可能存在数千笔待确认交易，矿工需按优先级筛选以最大化收益。核心排序标准是手续费率（单位：satoshis/byte，1 satoshi=10⁻⁸ BTC）：手续费率越高的交易，被打包的概率越大。例如，2025年比特币网络拥堵时，单笔交易手续费率可达1000 sat/byte以上，而低手续费交易（如10 sat/byte）可能需等待数小时甚至被内存池自动丢弃（通常内存池容量上限为300MB，超过后低手续费交易被优先清理）。
此外，长期未确认的交易（如超过72小时）可能被矿工标记为“无效”，用户需通过“手续费替换”（RBF）机制提高手续费以重新进入打包队列。
2. 打包流程：从交易筛选到Coinbase奖励
矿工的打包流程可分为3步：
- 筛选交易：按手续费率从高到低选择交易，直至接近区块容量上限；
- 构建Merkle树：将选中交易通过Merkle树算法生成根哈希，写入区块头；
- 添加Coinbase交易：作为区块的第一笔交易，Coinbase交易无输入地址，直接生成区块奖励（含新发行比特币和所有打包交易的手续费），是矿工收益的主要来源。
以比特币为例，2024年第四次减半后，区块奖励降至6.25 BTC/块，而手续费占比已超40%（2025年均值），随着未来奖励进一步减半，手续费将成为矿工的核心收入。
3. 区块容量限制：效率与去中心化的平衡
区块容量直接影响交易处理效率。比特币通过SegWit（隔离见证）优化后，区块大小上限从1MB提升至4MB，2025年平均区块填充率约95%，但仍无法完全避免拥堵。高填充率导致手续费波动加剧：网络拥堵时单笔交易手续费可达数十美元，而空闲时仅需几美分。
这种限制本质是去中心化与效率的权衡：过大的区块会增加节点存储和同步成本，可能导致小型节点退出，削弱网络去中心化程度。因此，Layer2解决方案（如闪电网络）成为重要补充——2025年闪电网络节点数已达8.2万个，分流了约30%的小额交易，缓解了主链压力。
三、安全性与经济激励：PoW的“双重保障”
PoW机制的安全性源于算力投入与经济激励的绑定。攻击者若想篡改交易，需掌控超50%算力（“51%攻击”），但2025年攻击比特币网络单小时成本已超500万美元，远高于潜在收益。同时，矿工的收益结构（区块奖励+手续费）确保了其维护账本诚实性的动力：任何恶意行为（如双花）都会导致区块被全网拒绝，矿工将损失算力成本和区块奖励。
四、2025年发展趋势：技术迭代与生态演变
当前区块链挖矿与交易打包机制正经历多重变革：
- ASIC矿机升级：台积电7nm芯片普及，单机算力达200 TH/s，能效比低于15 J/TH，算力集中度进一步提升；
- 绿色能源主导：中国四川、挪威等地水电挖矿占比突破60%，碳中和认证成为矿场运营的必要条件；
- Layer2与主链协同：闪电网络、Rollup等技术分流大量交易，主链逐渐聚焦于价值存储和最终结算，交易打包机制从“手续费竞争”向“效率优化”转型。
综上，挖矿生成新区块是通过算力竞争验证交易并扩展账本的过程，交易打包则是基于经济激励的优先级筛选机制，二者共同构成了区块链“去中心化、不可篡改”特性的技术基础。随着技术迭代，这一机制正从“算力驱动”向“效率与可持续性平衡”演进，但其核心逻辑——通过工作量证明确保账本一致性，通过经济激励维持网络诚实性——仍是区块链信任体系的基石。