区块链-比特币挖矿原理

目录：

目录

概览

分布式账本是比特币系统的三大组成部分之一，分散在比特币网络的各个节点上，每个节点争取记账权的过程就是我们通常所说的挖掘。

从计算机或程序代码的角度来看，挖矿就是进行算法运算，反复执行Hash函数并检测执行结果的具体过程。

比特币挖矿基于POW共识机制。从2008年创世区块开始，挖矿逐渐从CPU的小作坊发展到GPU挖矿，最终进化到ASIC时代（矿池、专业大型矿机）。下面将简要分析其逻辑和技术实现。挖矿的演进不仅是硬件的发展比特币挖矿网站，也是软件的推动，软硬件对接协议的演进。

挖矿

在讨论原理之前，我们先搞清楚比特币区块头的底层数据结构。我们说挖矿就是反复执行Hash函数的过程。 Hash函数是单输入单输出函数，输入数据为区块头。

如上，我们的一次性挖矿是对上述6个字段80字节进行两次SHA256的过程，输出结果固定为32字节（二进制256位）

以上6个字段不同，

固定：

1、 nVersion 这个字段是在比特币系统升级的时候改变的，所以当一个新的区块产生时，我们认为这个字段没有变化

2、hashPrevBlock 依赖于前一个区块头的hash值，生成这个字段对于新区块也不变

3、nBits 友好谜题难度系数，每2016个区块，根据算法重置该字段

变量：

4、hashMerkleRoot 包含了区块中所有交易计算出来的 Merkle 根 Hash。我们可以更改交易的输入、调整订单和 Coinbase 交易。这个值

5、nTime的合理出块时间值的范围是有限的，不能太早也不能太早，否则会被认为是无效的。理论上，当前出块时间可以早于上一个出块时间

6、nNonce 4 个字节，提供 2^32 个可能的值

根据Hash函数的特性，上述三个字段的任何微小变化都会导致Hash结果发生巨大变化。在 CPU 挖矿时代，nNonce 的 4 字节完全满足需求，但随着 GPU 挖矿的出现，4 字节的值可能无法满足需求，所以缺席者的注意力转向了 hashMerkleRoot

挖矿的逻辑如下：

1、打包交易，检索待处理的交易内存池，自由选择交易打包成新区块。矿工可以任意选择，可以选择空块，但不能无限选择，因为每个块都有容量限制（目前是1M）。最合理的策略是按费用排序，这样你就可以获得最多的交易费用。

2、构建 Coinbase。确定该区块包含的交易集后，即可统计该区块的总交易费用。结合输出规则，矿工可以计算出自己的区块收益。

3、计算hashMerkleRoot，构建Merkle树

4、填写其他字段，构建完整的区块头

5、对区块头进行SHA256操作

6、检查，如果满足难度规则，则全网广播； SHA256操作，即重复步骤4-6。

合格区块验证：

SHA256D(区块头) < F(nBits)

SHA256D(Blockheader)是本次挖掘的结果，F(nBits)是难度对应的目标值，都是256位，都当作大整数，直接比较大小判断是否他们符合难度要求。

挖矿就像抛硬币。如果我们有 256 个带有序列号的硬币，那么一次挖矿就是将所有这些硬币都扔掉以填补空白。如果前N个币都是单挑的，说明本次挖矿成功。

CPU挖矿时代

setgenreate协议接口代表cpu挖矿时代

Satoshi Nakamoto 在白皮书 Digital Democracy Ideas 中描述了“一个 cpu 一票”。挖矿功能集成在第一版客户端中。数据同步后，即可开始挖掘。我们有两种方式开始挖矿：

1、配置文件 gen=1 ，然后启动客户端进行挖矿

2、打开调试窗口，在命令行输入setgenerate true 2，开始挖矿

单核cpu的sha256算法是2MH/s（1秒100W这个Hash），按照创建新块的时间是10分钟，一共100W * 68 * 10 = 6亿次Hash尝试, nNonce 提供 2^32 个可能的值

足够满足需求

GPU挖矿时代

getwork协议代表GPU挖矿时代，GPU挖矿，挖矿程序与节点客户端分离，区块链数据与挖矿组件分离

CPU挖矿，使用客户端挖矿，需要先下载完整的数据，当我们有多台电脑时，不需要每台电脑都下载完整的数据，我们只要保证至少有一台电脑保存完整即可数据。同时，GPU挖矿时代的到来也需要一个协议来与客户端节点进行交互。

getwork的设计思路是节点客户端构建区块，负责1-3步挖矿，然后将区块头数据发送到外部挖矿程序负责4-6步。挖矿程序遍历nNonce进行挖矿。验证通过后，交付给节点客户端。节点客户端验证通过后，向全网广播。

区块头共80个字节，nVersion、hashPrevBlock、nBits和hashMerkleRoot 4个字段共72个字节必须由节点客户端提供。挖矿程序主要是增量遍历nNonce，必要时可以微调nTime字段。

gpu的sha256计算能力比cpu高很多，一般在200M-1G之间，所以nNonce提供了4G的选项，尝试完成只需要4秒，所以gpu可以适当调整ntime

数据节点客户端提供RPC接口getwork。该接口有一个可选参数。如果没有参数，就是申请数据；如果有参数，就是提交数据。

数据字段：共128字节（80个块头字节+48个补码字节），sha256会将输入数据处理成分片，要求是64的整数倍，块头数据不符合规则，所以需要补全数据。实际上不需要提供完整的数据；可能不提供 nNonce 字段，GPU 将采用自己的值。

目标字段：哈希难度目标字段，使用小头存储，需要翻转使用，外部程序可以通过数据和目标开始挖掘

中态字段：sha256拆分输入数据，前64字节数据固定比特币挖矿网站，节点已经为我们计算好前64个字段的hash值

hash1字段：每次挖矿需要执行两次sha256，第一次hash后有32个字段，需要使用hash1补全

外部程序不带参数调用getwork，节点客户端构造新区块并保存在内存中，以hashMerkleRoot为唯一标识，下一个区块被挖出时，地图清零

当外部程序挖出合格区块时，会通过getwork将修改后的数据返回给节点客户端。

ASIC挖矿时代

getBlockTemplate 协议标志着 ASIC 挖矿时代。矿池通过getBlockTemplate协议与节点客户端交互，通过stratum[ˈstreɪtəm]协议与缺席者交互。这是典型的矿池模式。

与getWork协议不同，getBlockTemplate协议允许矿工自行构建区块，节点客户端和挖矿完全分离。对于getwork协议，区块链是一个黑盒子，它只需要负责修改nNonce4字节的数据；对于getBlockTemplate来说，区块链是透明的，拥有挖矿的所有信息，包括待确认的交易池，可以自行打包。交易。

目前情况下，待确认的交易池有几万个订单，每个区块都是满的（1M）。因此getBlockTemplate的接口交互数据大小约为1.5M。与 getWork 协议非常不同。

Transactions，交易集合，不仅给出了每笔交易的十六进制数据，还给出了hash、交易费用等信息。

Coinbaseaux，如果你有什么信息想写入区块链，就放在这个字段，类似于中本聪的创世区块声明。

Coinbasevalue，挖掘下一个区块的最大收益值，包括新币的发行和交易费用。如果矿工在 Transactions 字段中包含所有交易，则该值可以直接用作 coinbase 输出。

Mintime，指下一个区块的最小时间戳，Curtime指当前时间，这两个时间作为矿工调整nTime字段的参考

高度，下一个区块的难度，目前协议规定这个值要写入coinbase中的指定位置。