比特币CPU挖礦、GPU挖礦、礦池及礦機挖礦技術原理

比特币挖礦原理

　　比特币的區塊頭，共含6個字段，如下：

　　int32_t nVersion，4位元組，版本号，一般固定不變，僅在更新時改變。

　　uint256 hashPrevBlock，32位元組，前一個區塊的區塊頭哈希，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、增删交易、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于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目前時間戳。

　　uint32_t nBits，4位元組，挖礦難度，由全網決定，每2016個區塊按算法重新調整。

　　uint32_t nNonce，4位元組，随機數，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。

　　比特币挖礦原理即，不斷變更區塊頭中的可變值，使得對區塊頭做雙重SHA256哈希，結果小于挖礦難度目标值。即：

　　SHA256D(BlockHeader) < F(nBits)

　　其中SHA256D(BlockHeader)即對區塊頭做雙重SHA256哈希，F(nBits)即按nBits計算的難度目标值。

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接口setgenerate控制挖礦。

　　控制台輸入setgenerate true 2，即開始挖礦，後邊的數字表示代表的挖礦線程數，當然前提先完成同步資料。

　　由于單CPU運算SHA256D算力約為2 MH/S，是以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。是以可以調整nTime，每調整一次nTime，可以繼續挖礦4秒。

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

　　核心思路為：節點構造區塊，将區塊頭資料交給挖礦程式，挖礦程式周遊nNonce進行挖礦。驗證合格傳遞給節點，節點提取nNonce和nTime驗證區塊，如果符合要求即向全網廣播。周遊結束将調用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，源碼為https://github.com/ckolivas/cgminer。

　　GPU挖礦缺陷：GETWORK協定給挖礦程式提供的搜尋空間為4G，結束後需再次調用GETWORK RPC接口。礦機出現後，礦機算力已達10 TH/S，繼續使用GETWORK協定将頻繁調用RPC接口，顯然不太合适。是以需轉向更高效的getblocktemplate協定。

礦池挖礦原理

　　礦工通過getblocktemplate協定與節點互動，或礦池采用stratum協定與礦工互動，即為礦池的兩種典型搭模組化式。

　　與getwork相比，getblocktemplate協定讓礦工自行構造區塊，是以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、建構coinbase交易。

　　2、coinbase交易放在交易清單之前，建構hashMerkleRoot。因coinbase、以及交易次序均可調整，是以hashMerkleRoot空間可以認為無限大。是以getblocktemplate協定也使礦工獲得了巨大的搜尋空間。

　　3、建構區塊頭。

　　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政策。

　　5、上交資料，如果挖礦成功即送出給節點，由節點驗證并廣播。

　　getblocktemplate協定的問題：

　　1、礦工通過HTTP方式調用RPC接口向節點申請挖礦資料，是以網絡中最新區塊變動無法告知礦工，造成算力浪費。

　　2、每次調用getblocktemplate，節點都會傳回1.5M左右資料，因頻繁互動将是以增加大量成本。

　　Stratum協定将解決上述問題。

Stratum協定

　　Stratum協定，采用主動配置設定任務的方式，也即礦池任何時候都可以給礦工分派任務。對于礦工，如收到新任務，将無條件轉向新任務。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将所有交易交給礦工，是以對礦池帶寬要求較高。

　　Stratum協定巧妙解決了這個問題。即：基于Merkler樹的原理，無需将全部交易發給礦工，隻需将構造hashMerkleroot所需的少數幾個節點交給礦工即可。同時将構造coinbase所需資訊交給礦工，礦工可基于少數資訊構造hashMerkleroot。照此方式，如果包含N筆交易，僅需将log2(N)個hash值交給礦工。是以可大大降低互動的資料量。

　　礦池的核心即給礦工分派任務，統計工作量并分發收益。礦池可以将區塊難度分成更小的任務發給礦工，礦工完成任務送出礦池。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

ASIC礦機

參考文章