比特幣CPU挖礦、GPU挖礦、礦池及礦機挖礦技術原理

尹成發表於2018-05-17
比特幣GPU
# 比特幣CPU挖礦、GPU挖礦、礦池及礦機挖礦技術原理

### 比特幣挖礦原理

比特幣的區塊頭，共含6個欄位，如下：
* int32_t nVersion，4位元組，版本號，一般固定不變，僅在升級時改變。
* uint256 hashPrevBlock，32位元組，前一個區塊的區塊頭雜湊，由前一個區塊決定。
* uint256 hashMerkleRoot，32位元組，包含進區塊的所有交易構造的Merkle根，調整區塊中的交易次序、增刪交易、或修改Coinbase交易時改變。
* uint32_t nTime，4位元組，時間戳，後一個區塊時間略早於前一個區塊是被允許的，但必須在合理的時間區間，一般會直接使用機器當前時間戳。
* uint32_t nBits，4位元組，挖礦難度，由全網決定，每2016個區塊按演算法重新調整。
* uint32_t nNonce，4位元組，隨機數，提供2^32種取值。即4,294,967,296。

其中nVersion、hashPrevBlock、nBits是固定的，其他hashMerkleRoot、nTime、nNonce為可變的。

比特幣挖礦原理即，不斷變更區塊頭中的可變值，使得對區塊頭做雙重SHA256雜湊，結果小於挖礦難度目標值。即：
SHA256D(BlockHeader) < F(nBits)

其中SHA256D(BlockHeader)即對區塊頭做雙重SHA256雜湊，F(nBits)即按nBits計算的難度目標值。

### 算力的表示

1 H/S = 每秒一次運算
1 KH/S = 1000 H/S，即每秒1千次運算
1 MH/S = 1000 KH/S，即每秒100萬次運算
1 GH/S = 1000 MH/S，即每秒10億次運算
1 TH/S = 1000 GH/S，即每秒1萬億次運算
1 PH/S = 1000 TH/S，即每秒1000萬億次運算
1 EH/S = 1000 PH/S，即每秒100萬萬億次運算

### CPU挖礦原理

CPU挖礦，即利用RPC介面setgenerate控制挖礦。
控制檯輸入setgenerate true 2，即開始挖礦，後邊的數字表示代表的挖礦執行緒數，當然前提先完成同步資料。
由於單CPU運算SHA256D算力約為2 MH/S，因此nNonce提供的4位元組搜尋空間完全夠用，即支援4G種取值。

### GPU挖礦原理

GPU運算SHA256D算力約為200M-1G，nNonce提供4G搜尋空間，如果僅調整nNonce取值，可以支援4秒左右。
因此可以調整nTime，每調整一次nTime，可以繼續挖礦4秒。

GPU挖礦使用GETWORK協議，即挖礦程式和節點分離，也即挖礦部件與區塊鏈資料分離。
GPU挖礦時代，使用GETWORK協議，使得挖礦程式與節點互動。

核心思路為：節點構造區塊，將區塊頭資料交給挖礦程式，挖礦程式遍歷nNonce進行挖礦。
驗證合格交付給節點，節點提取nNonce和nTime驗證區塊，如果符合要求即向全網廣播。
遍歷結束將呼叫GETWORK，節點構造新區塊，然後重複上述過程。

GPU經典挖礦驅動為cgminer，原始碼為https://github.com/ckolivas/cgminer。

GPU挖礦缺陷：GETWORK協議給挖礦程式提供的搜尋空間為4G，結束後需再次呼叫GETWORK RPC介面。
礦機出現後，礦機算力已達10 TH/S，繼續使用GETWORK協議將頻繁呼叫RPC介面，顯然不太合適。
因此需轉向更高效的getblocktemplate協議。

### 礦池挖礦原理

礦工通過getblocktemplate協議與節點互動，或礦池採用stratum協議與礦工互動，即為礦池的兩種典型搭建模式。

與getwork相比，getblocktemplate協議讓礦工自行構造區塊，因此使得節點與挖礦完全分離。
礦工拿到一系列資料後，開始挖礦：
1、構建coinbase交易。
2、coinbase交易放在交易列表之前，構建hashMerkleRoot。因coinbase、以及交易次序均可調整，因此hashMerkleRoot空間可以認為無限大。
因此getblocktemplate協議也使礦工獲得了巨大的搜尋空間。
3、構建區塊頭。
4、挖礦，即礦工可以在nNonce、nTime、hashMerkleRoot提供的搜尋空間中涉及任意的挖礦策略。
5、上交資料，如果挖礦成功即提交給節點，由節點驗證並廣播。

getblocktemplate協議的問題：
1、礦工通過HTTP方式呼叫RPC介面向節點申請挖礦資料，因此網路中最新區塊變動無法告知礦工，造成算力浪費。
2、每次呼叫getblocktemplate，節點都會返回1.5M左右資料，因頻繁互動將因此增加大量成本。
Stratum協議將解決上述問題。

### Stratum協議

Stratum協議，採用主動分配任務的方式，也即礦池任何時候都可以給礦工分派任務。
對於礦工，如收到新任務，將無條件轉向新任務。另外礦工也可以向礦池申請新任務。

最核心問題為，如何使得礦工獲得更大的搜尋空間。
如果僅礦工僅可改變nNonce和nTime，互動資料少但搜尋空間不足。
如果允許礦工構造coinbase，搜尋空間大但代價是需要將所有交易交給礦工，因此對礦池頻寬要求較高。

Stratum協議巧妙解決了這個問題。即：
基於Merkler樹的原理，無需將全部交易發給礦工，只需將構造hashMerkleroot所需的少數幾個節點交給礦工即可。
同時將構造coinbase所需資訊交給礦工，礦工可基於少數資訊構造hashMerkleroot。
照此方式，如果包含N筆交易，僅需將log2(N)個hash值交給礦工。因此可大大降低互動的資料量。

礦池的核心即給礦工分派任務，統計工作量並分發收益。
礦池可以將區塊難度分成更小的任務發給礦工，礦工完成任務提交礦池。
如果全網區塊難度要求前70位為0，那麼礦池可以給礦工分派難度為前30位0的任務，礦池再判斷是否碰巧前70位都為0。

幾個開源礦池：
PHP-MPOS：https://github.com/MPOS/php-mpos
node-open-mining-portal：https://github.com/zone117x/node-open-mining-portal
Powerpool：https://github.com/sigwo/powerpool

### 混合挖礦

混合挖礦，即某種幣的挖礦掛靠在另一種幣的鏈條上。輔鏈需要做針對性設計（如域名幣和狗狗幣）。
混合挖礦，使用AuxPOW協議實現。AuxPOW的實現得益於比特幣Coinbase的輸入欄位。

經典的PoW區塊，規定符合要求才算合格的區塊。AuxPOW協議附加兩個要求：
1、輔鏈區塊的hash值必須內建於父鏈區塊的Coinbase裡。
2、父鏈區塊的難度比較符合輔鏈的難度要求。

一般來說，父鏈的算力比較輔鏈大，滿足父鏈難度要求的區塊一定滿足輔鏈的難度要求。
因此過去很多達不到父鏈難度要求的區塊，可以達到輔鏈難度，可以在輔鏈獲得收益。

### ASIC礦機

FPGA，Field-Programmable Gate Array，譯為現場可程式設計門陣列。是在PAL、GAL、CPLD等可程式設計器件的基礎上進一步發展的產物。
是作為專用積體電路(ASIC)領域中的一種半定製電路而出現的，既解決了定製電路的不足，又克服了原有可程式設計器件閘電路數有限的缺點。
能用FPGA實現各種AISC、DSP和微控制器。
FPGA作為挖礦硬體，對於ASIC來說屬於必然的過度技術。

ASIC，Application Specific Integrated Circuits，即專用積體電路。
是指應特定使用者要求和特定電子系統的需要而設計、製造的積體電路。





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