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⑶ 比特币矿池的协议stratum
转自: https://zhuanlan.hu.com/p/23558268
getblocktemplate协议诞生于2012年中叶,此时矿池已经出现。矿池采用getblocktemplate协议与节点客户端交互,采用stratum协议与矿工交互,这是最典型的矿池搭建模式。
与getwork相比,getblocktemplate协议最大的不同点是:getblocktemplate协议让矿工自行构造区块。如此一来,节点和挖矿完全分离。对于getwork来说,区块链是黑暗的,getwork对区块链一无所知,他只知道修改data字段的4个字节。对于getblocktemplate来说,整个区块链是透明的,getblocktemplate掌握区块链上与挖矿有关的所有信息,包括待确认交易池,getblocktemplate可以自己选择包含进区块的交易。
挖矿有两种方式,一种叫SOLO挖矿,另一种是去矿池挖矿。前文所述的在节点客户端直接启动CPU挖矿,以及依靠getwork+cgminer驱动显卡直接连接节点客户端挖矿,都是SOLO挖矿,SOLO好比自己独资买彩票,不轻易中奖,中奖则收益全部归自己所有。去矿池挖矿好比合买彩票,大家一起出钱,能买一堆彩票,中奖后按出资比率分配收益。理论上,矿机可以借助getblocktemplate协议链接节点客户端SOLO挖矿,但其实早已没有矿工会那么做,在写这篇文章时,比特币全网算力1600P+,而当前最先进的矿机算力10T左右,如此算来,单台矿机SOLO挖到一个块的概率不到16万分之一,矿工(人)投入真金白银购买矿机、交付电费,不会做风险那么高的投资,显然投入矿池抱团挖矿以降低风险,获得稳定收益更加适合。因此矿池的出现是必然,也不可消除,无论是否破坏系统的去中心化原则。
矿池的核心工作是给矿工分配任务,统计工作量并分发收益。矿池将区块难度分成很多难度更小的任务下发给矿工计算,矿工完成一个任务后将工作量提交给矿池,叫提交一个share。假如全网区块难度要求Hash运算结果的前70个比特位都是0,那么矿池给矿工分配的任务可能只要求前30位是0(根据矿工算力调节),矿工完成指定难度任务后上交share,矿池再检测在满足前30位为0的基础上,看看是否碰巧前70位都是0。
矿池会根据每个矿工的算力情况分配不同难度的任务,矿池是如何判断矿工算力大小以分配合适的任务难度呢?调节思路和比特币区块难度一样,矿池需要借助矿工的share率,矿池希望给每个矿工分配的任务都足够让矿工运算一定时间,比如说1秒,如果矿工在一秒之内完成了几次任务,说明矿池当前给到的难度低了,需要调高,反之。如此下来,经过一段时间调节,矿池能给矿工分配合理难度,并计算出矿工的算力。
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。此外,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)。须知在矿池刚出现时,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。
先来说一下getblocktemplate遗留下来的几个问题:
矿工驱动:在getblocktemplate协议里,依然是由矿工主动通过HTTP方式调用RPC接口向节点申请挖矿数据,这就意味着,网络最新区块的变动无法及时告知矿工,造成算力损失。
数据负载:如上所述,如今正常的一次getblocktemplate调用节点都会反馈回1.5M左右的数据,其中主要数据是交易列表,矿工与矿池需频繁交互数据,显然不能每次分配工作都要给矿工附带那么多信息。再者巨大的内存需求将大大影响矿机性能,增加成本。
Stratum协议彻底解决了以上问题。
Stratum协议采用主动分配任务的方式,也就是说,矿池任何时候都可以给矿工指派新任务,对于矿工来说,如果收到矿池指派的新任务,应立即无条件转向新任务;矿工也可以主动跟矿池申请新任务。
现在最核心的问题是如何让矿工获得更大的搜索空间,如果参照getwork协议,仅仅给矿工可以改变nNonce和nTime字段,则交互的数据量很少,但这点搜索空间肯定是不够的。想增加搜索空间,只能在hashMerkleroot下功夫,如果让矿工自己构造coinbase,那么搜索空间的问题将迎刃而解,但代价是必要要把区块包含的所有交易都交给矿工,矿工才能构造交易列表的Merkleroot,这对于矿工来说压力更大,对于矿池带宽要求也更高。
Stratum协议巧妙解决了这个问题,成功实现既可以给矿工增加足够的搜索空间,又只需要交互很少的数据量,这也是Stratum协议最具创新的地方。
再来回顾一下区块头的6个字段80字节,这个很关键,nVersion,nBits,hashPrevBlock这3个字段是固定的,nNonce,nTime这两个字段是矿工现在就可以改变的。增加搜索空间只能从hashMerkleroot下手,这个绕不过去。Stratum协议让矿工自己构造coinbase交易,coinbase的scriptSig字段有很多字节可以让矿工自由填充,而coinbase的改动意味着hashMerkleroot的改变。从coinbase构造hashMerkleroot无需全部交易,
如上图所示,假如区块将包含13笔交易,矿池先对这13笔交易进行处理,最后只要把图中的4个黑点(Hash值)交付给矿工,同时将构造coinbase需要的信息交付给矿工,矿工就可以自己构造hashMerkleroot(图中的绿点都是矿工自行计算获得,两两合并Hash时,规定下一个黑点代表的hash值总是放在右边)
。按照这种方式,假如区块包含N笔交易,矿池可以浓缩成log2(N)个hash值交付给矿工,这大大降低了矿池和矿工交互的数据量。
Stratum协议严格规定了矿工和矿池交互的接口数据结构和交互逻辑,具体如下:
1. 矿工订阅任务
启动挖矿机器,使用mining.subscribe方法链接矿池
返回数据很重要,矿工需本地记录,在整个挖矿过程中都用到,其中:
Extranonce1,和 Extranonce2对于挖矿很重要,增加的搜索空间就在这里,现在,我们至少有了8个字节的搜索空间,即nNonce的4个字节,以及 Extranonce2的4个字节。
2. 矿池授权
在矿池注册一个账号 ,添加矿工,矿池允许每个账号任意添加矿工数,并取不同名字以区分。矿工使用mining.authorize方法申请授权,只有被矿池授权的矿工才能收到矿池指派任务。
3. 矿池分配任务
以上每个字段信息都是必不可少,其中:
有了以上信息,再加上之前拿到的Extranonce1 和Extranonce2_size,就可以挖矿了。
4. 挖矿
1) 构造coinbase交易
用到的信息包括Coinb1, Extranonce1, Extranonce2_size 以及Coinb2,构造很简单:
为啥可以这样,因为矿池帮矿工做了很多工作,矿池已经构建了coinbase交易,系列化后在指定位置分割成coinb1和coinb2,coinb1和coinb2包含指定信息,比如coinb1包含区块高度,coinb2包含了矿工的收益地址和收益额等信息,但是这些信息对于矿工来说无关紧要,矿工挖矿的地方只是Extranonce2 的4个字节。另外Extranonce1是矿池写入区块的指定信息,一般来说,每个矿池会写入自己矿池的信息,比如矿池名字或者域名,我们就是根据这个信息统计每个矿池在全网的算力比重。
2) 构建Merkleroot
利用coinbase和merkle_branch,按照上图方式构造hashMerkleroot字段。
3) 构建区块头
填充余下的5个字段,现在,矿池可以在nNonce和Extranonce2 里搜索进行挖矿,如果嫌搜索空间还不够,只要增加Extranonce2_size为多几个字节就可轻而易举解决。
5. 矿工提交工作量
当矿工找到一个符合难度的shares时,提交给矿池,提交的信息量很少,都是必不可少的字段:
矿池拿到以上5个字段后,首先根据任务号ID找出之前分配任务前存储的信息(主要是构建的coinbase交易以及包含的交易列表等),然后重构区块,再验证shares难度,对于符合难度要求的shares,再检测是否符合全网难度。
6. 矿池给矿工调节难度
矿池记录每个矿工的难度,并根据shares率不断调节以指定合适难度。矿池可以随时通过mining.set_difficulty方法给矿工发消息另其改变难度。
如上,Stratum协议核心理念基本解析清楚,在getblocktemplate协议和Stratum协议的配合下,矿池终于可以大声的对矿工说,让算力来的更猛烈些吧。
⑷ 矿机挖币是怎么回事
比特币挖矿制度是通过计算机硬件是比特币网络开展数学运算的过程,提供服务的矿工可以得到一笔不小报酬,因为网络报酬依据的是矿工完成的任务量来计算,因此挖矿的竞争十分激烈。在全世界里发行有上百种的数字货币,人们知道的最多的就是比特币了。比特币是一种网络上的虚拟货币,部分网站是可以使用比特币支付的。
比特币挖矿开始于CPU或者GPU这种低成本的硬件,不过随着比特币在生活里的流行,挖矿的过程出现了很大变化。
现在,挖矿活动已经转移到现场可编程门阵列上来,通过优化可以实现哈希速度,这种模式的挖矿的效率非常快并且效率。
挖矿是电脑性能的竞争、装备中的竞争,有些挖矿机是更多像这样的显卡阵列组成的,数十乃至过百的显卡一同上阵,硬体价格等各种成本本身就很高,挖矿存在非常大的支出。
在比特币的系统里,记录交易生产区块是最重要的工作,为了鼓励大家都来参与交易账本的记录,中本聪设计出了奖励机制,用比特币作为奖励。
但是记账这个工作可不是那么简单,因为基于比特币去中心化的思想,每个节点每个矿工都参与记账,而且必须保证所有人记录的账本都是相同的。
矿工在收集交易信息并记录的时候,每个矿工记录的内容并不完全相同,特别是第一条,矿工记的肯定是把挖矿的奖励给自己。但是每产生一个区块链只有一次奖励,这个奖励给谁?这就需要立一个规矩,并且是大家都认可的规矩,也就是工作量证明PoW机制。
比特币系统会让大家求解一个数学题(计算hash值),谁最先求解出来,那么他所记录的区块就会被认同,奖励就归他所有,而求解速度就要看谁的电脑/机器性能更高。
正是如此,所以现在每个人都在增强自己的电脑、挖矿机的运算性能,提高解题速度,谁的速度(算力)最高,挖到矿的几率就越高,赚到的钱也就越多。
用个形象的比喻,工作量证明机制与拔河比赛很类似,哪一方的力量大(算力高)哪一方就能拉赢对方。而且拔河的绳子两边,并不在意你是胖子还是瘦子或人数有多少;于是,为了得到奖励,可以很多人聚集为一伙,最后得奖了根据每个人出力多少来瓜分奖励。
而这在比特币挖矿里,召集好多人一起挖矿,就是“矿池”的概念,我们将在下一篇文章中详细的解读。
综上,比特币矿机挖矿,实际上就是用机器去参加一场数学比赛,谁先计算出来答案,谁就会获得比特币奖励。
⑸ 什么是挖矿,怎么挖矿
简单来说,挖矿就是利用芯片进行一个与随机数相关的计算,得出答案后以此换取一个虚拟币。虚拟币则可以通过某种途经换取各个国家的货币。运算能力越强的芯片就能越快找到这个随机答案,理论上单位时间内能产出越多的虚拟币。由于关系到随机数,只有恰巧找到答案才能获取奖励。有可能一块芯片下一秒就找到答案,也有可能十块芯片一个星期都没找到答案。越多芯片同时计算就越容易找到答案,内置多芯片的矿机就出现了。而多台矿机组成一个“矿场”同时挖矿更是提高效率。而矿池则是由多个“个体户”加入一个组织一起挖矿,无论谁找到答案挖出虚拟币,所有人同时按贡献的计算能力获得相应的报酬,这种方式能使“个体户”收入更稳定。
举一个通俗的例子:
我在一张纸上随便写一串数字,给出部分提示,谁猜对就给他奖金(挖矿)
聪明的人根据提示能作出更多猜测(计算能力)
有人出钱请许多人回来一起猜测(矿场)
有人召集大家一起猜测,无论谁猜到,按照每个人猜测次数比例分配奖金(矿池)
上面举的例子大家可以看到,越聪明的人能作出越多次猜测,猜到的机会就越大,相应地能获得越多的收益。
我们经常看到有矿工为了挖矿,不断升级计算机配置,或者买多台计算机,其实质目的就是为了提高自己的算力。挖矿的过程是每一个矿工,在一个时间段里,和所有的矿工竞争计算那一份比特币,实质就是一个人的算力PK全球的算力,由此可见,挖矿没那么容易。
什么是算力?
在“挖矿”的过程中,我们需要找到其相应的解,而要找到其解,并没有固定算法,只能靠计算机随机的哈希碰撞。一台矿机每秒钟能做多少次哈希碰撞,就是其“算力”的代表,单位写成hash/s。