比特币挖矿原理
比特币的区块头,共含6个字段,如下:
int32_t nVersion,4字节,版本号,一般固定不变,仅在升级时改变。
uint256 hashPrevBlock,32字节,前一个区块的区块头哈希,由前一个区块决定。
uint256 hashMerkleRoot,32字节,包含进区块的所有交易构造的Merkle根,调整区块中的交易次序、增删交易、或修改Coinbase交易时改变。
uint32_t nTime,4字节,时间戳,后一个区块时间略早于前一个区块是被允许的,但必须在合理的时间区间,一般会直接使用机器当前时间戳。
uint32_t nBits,4字节,挖矿难度,由全网决定,每2016个区块按算法重新调整。
uint32_t nNonce,4字节,随机数,提供2^32种取值。即4,294,967,296。
其中nVersion、hashPrevBlock、nBits是固定的,其他hashMerkleRoot、nTime、nNonce为可变的。
比特币挖矿原理即,不断变更区块头中的可变值,使得对区块头做双重SHA256哈希,结果小于挖矿难度目标值。即:
SHA256D(BlockHeader) < F(nBits)
其中SHA256D(BlockHeader)即对区块头做双重SHA256哈希,F(nBits)即按nBits计算的难度目标值。
算力的表示
1 H/S = 每秒一次运算
1 KH/S = 1000 H/S,即每秒1千次运算
1 MH/S = 1000 KH/S,即每秒100万次运算
1 GH/S = 1000 MH/S,即每秒10亿次运算
1 TH/S = 1000 GH/S,即每秒1万亿次运算
1 PH/S = 1000 TH/S,即每秒1000万亿次运算
1 EH/S = 1000 PH/S,即每秒100万万亿次运算
CPU挖矿原理
CPU挖矿,即利用RPC接口setgenerate控制挖矿。
控制台输入setgenerate true 2,即开始挖矿,后边的数字表示代表的挖矿线程数,当然前提先完成同步数据。
由于单CPU运算SHA256D算力约为2 MH/S,因此nNonce提供的4字节搜索空间完全够用,即支持4G种取值。
GPU挖矿原理
GPU运算SHA256D算力约为200M-1G,nNonce提供4G搜索空间,如果仅调整nNonce取值,可以支持4秒左右。因此可以调整nTime,每调整一次nTime,可以继续挖矿4秒。
GPU挖矿使用GETWORK协议,即挖矿程序和节点分离,也即挖矿部件与区块链数据分离。GPU挖矿时代,使用GETWORK协议,使得挖矿程序与节点交互。
核心思路为:节点构造区块,将区块头数据交给挖矿程序,挖矿程序遍历nNonce进行挖矿。验证合格交付给节点,节点提取nNonce和nTime验证区块,如果符合要求即向全网广播。遍历结束将调用GETWORK,节点构造新区块,然后重复上述过程。
GPU经典挖矿驱动为cgminer,源码为https://github.com/ckolivas/cgminer。
GPU挖矿缺陷:GETWORK协议给挖矿程序提供的搜索空间为4G,结束后需再次调用GETWORK RPC接口。矿机出现后,矿机算力已达10 TH/S,继续使用GETWORK协议将频繁调用RPC接口,显然不太合适。因此需转向更高效的getblocktemplate协议。
矿池挖矿原理
矿工通过getblocktemplate协议与节点交互,或矿池采用stratum协议与矿工交互,即为矿池的两种典型搭建模式。
与getwork相比,getblocktemplate协议让矿工自行构造区块,因此使得节点与挖矿完全分离。矿工拿到一系列数据后,开始挖矿:
1、构建coinbase交易。
2、coinbase交易放在交易列表之前,构建hashMerkleRoot。因coinbase、以及交易次序均可调整,因此hashMerkleRoot空间可以认为无限大。因此getblocktemplate协议也使矿工获得了巨大的搜索空间。
3、构建区块头。
4、挖矿,即矿工可以在nNonce、nTime、hashMerkleRoot提供的搜索空间中涉及任意的挖矿策略。
5、上交数据,如果挖矿成功即提交给节点,由节点验证并广播。
getblocktemplate协议的问题:
1、矿工通过HTTP方式调用RPC接口向节点申请挖矿数据,因此网络中最新区块变动无法告知矿工,造成算力浪费。
2、每次调用getblocktemplate,节点都会返回1.5M左右数据,因频繁交互将因此增加大量成本。
Stratum协议将解决上述问题。
Stratum协议
Stratum协议,采用主动分配任务的方式,也即矿池任何时候都可以给矿工分派任务。对于矿工,如收到新任务,将无条件转向新任务。另外矿工也可以向矿池申请新任务。
最核心问题为,如何使得矿工获得更大的搜索空间。如果仅矿工仅可改变nNonce和nTime,交互数据少但搜索空间不足。如果允许矿工构造coinbase,搜索空间大但代价是需要将所有交易交给矿工,因此对矿池带宽要求较高。
Stratum协议巧妙解决了这个问题。即:基于Merkler树的原理,无需将全部交易发给矿工,只需将构造hashMerkleroot所需的少数几个节点交给矿工即可。同时将构造coinbase所需信息交给矿工,矿工可基于少数信息构造hashMerkleroot。照此方式,如果包含N笔交易,仅需将log2(N)个hash值交给矿工。因此可大大降低交互的数据量。
矿池的核心即给矿工分派任务,统计工作量并分发收益。矿池可以将区块难度分成更小的任务发给矿工,矿工完成任务提交矿池。如果全网区块难度要求前70位为0,那么矿池可以给矿工分派难度为前30位0的任务,矿池再判断是否碰巧前70位都为0。
几个开源矿池:
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
混合挖矿
混合挖矿,即某种币的挖矿挂靠在另一种币的链条上。辅链需要做针对性设计(如域名币和狗狗币)。混合挖矿,使用AuxPOW协议实现。AuxPOW的实现得益于比特币Coinbase的输入字段。
经典的PoW区块,规定符合要求才算合格的区块。AuxPOW协议附加两个要求:
1、辅链区块的hash值必须内置于父链区块的Coinbase里。
2、父链区块的难度比较符合辅链的难度要求。
一般来说,父链的算力比较辅链大,满足父链难度要求的区块一定满足辅链的难度要求。因此过去很多达不到父链难度要求的区块,可以达到辅链难度,可以在辅链获得收益。
ASIC矿机
FPGA,Field-Programmable Gate Array,译为现场可编程门阵列。是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。能用FPGA实现各种AISC、DSP和单片机。FPGA作为挖矿硬件,对于ASIC来说属于必然的过度技术。
ASIC,Application Specific Integrated Circuits,即专用集成电路。是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。
参考文章
来源:51CTO
作者:莫名2013
链接:https://blog.51cto.com/11821908/2061638?source=dra