比特币：挖矿程序的工作原理

Mining技术发展历程

CPU挖矿 -> GPU挖矿 -> FPGA挖矿 -> ASIC挖矿

• CPU挖矿时代：SENGENERATE
• GPU挖矿时代：GETWORK

 

一般场景PoW共识机制都是如下的挖矿过程，下面以比特币为例，总结一下挖矿相关技术概念。

 

Mining技术名词与原理

 

Miner

挖矿的程序或者机器统称矿工

 

挖矿本质

执行Hash函数的过程，而Hash函数是一个单输入单输出函数，输入数据就是一个区块头

 

区块头一般分为六个字段:

• nVersion 版本号（固定）
• hashPrewBlock 前一个区块hash（固定）
• hashMerkleRoot 交易Merkle根（理论上提供2^256种可能）
• nTime 时间戳（一般矿工直接使用机器当前时间戳）
• nBits 难度（固定）
• nNonce 随机数（如BTC提供2^32种可能取值）

 

挖矿逻辑

1. 打包交易。检索待确认交易内存池，选择包含区块的交易
2. 构造Coinbase。
3. 构造hashMerkleRoot。
4. 填充其他字段，获得完整区块头。
5. Hash运算，对区块头进行SHA256D运算。
6. 验证结果，如果符合难度，则广播到全网，挖下一个块;不符合难度则根据一定策略改变以上某个字段后再进行Hash运算并验证。

 

GETWORK协议

GETWORK协议代表了GPU挖矿时代，需求主要源于挖矿程序与节点客户端分离，区块链数据与挖矿部件分离。

getwork核心设计思路:

由节点客户端构造区块，然后将区块头数据交给外部挖矿程序，挖矿程序遍历nNonce进行挖矿，验证合格后交付回给节点客户端，节点客户端验证合格后广播到全网。

 

合格的区块条件如下:

SHA256D（Blockherder）"挖矿结果"<F(nBits)“难度对应目标值”

 

STRATUM:

矿池通过getblocktemplate协议与网络节点交互，以获得区块链的最新信息，通过stratum协议与矿工交互。

为了让之前用getwork协议挖矿的软件也可以连接到矿池挖矿，矿池一般也支持getwork协议，通过阶层挖矿代理机制实现(Stratum mining proxy)。

在矿池刚出现时，显卡挖矿还是主力，getwork用起来非常方便，另外早期的FPGA矿机有些是用getwork实现的，stratum与矿池采用TCP方式通信，数据使用JSON封装格式。

 

 

 

简单的总结:

挖矿实际上就是矿池作为与链上节点交互的一个角色，将new block的json数据格式的Header给到矿工，矿工聚集算力给矿池算出new block需要的正确的Nonce，最后验证通过后矿池拿到出块奖励分发给矿工。

至于多年前diff低的时候的不需要pool的solo mining就不提了....

 

笔记参考

[1] 深度解析挖矿的逻辑与技术实现