GET:区块链之CPU挖矿、GPU挖矿、ASIC挖矿原理以及区别_PETBloc

区块链世界里，有些非常有意思的比喻，像挖金子一样“挖”数字货币叫做“挖矿”，挖数字货币的人被称为“矿工”，而用于“挖”数字货币的电脑被称为“矿机”。

比特币挖矿原理

比特币的区块头，共含6个字段，如下：

int32_tnVersion，4字节，版本号，一般固定不变，仅在升级时改变。

uint256hashPrevBlock，32字节，前一个区块的区块头哈希，由前一个区块决定。

uint256hashMerkleRoot，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_tnTime，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_tnBits，4字节，挖矿难度，由全网决定，每2016个区块按算法重新调整。

区块链基础设施提供商Propel与Web3平台StarryNift达成战略合作:7月17日消息，区块链基础设施解决方案平台Propel与Web3平台和Launchpad StarryNift达成战略合作。[2022/7/17 2:18:53]

uint32_tnNonce，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

动态 | 新加坡区块链行业发展较快 部分产品前景良好:据中国金融信息网消息，新加坡区块链行业进入快速发展时期，一批区块链项目已经推出较成熟的产品或应用。新加坡新跃社科大学教授李国权等今年年初在《联合早报》上撰文指出，新加坡到2022年有望形成一个2亿至3亿美元的区块链市场，并以年均32.5%的速度发展，这一市场将在2030年达到19亿至26亿美元的规模。7月初，新加坡首个政府支持的区块链加速器Tribe Accelerator，在其项目展示日活动上，展示了多个面向不同市场需求而开发的区块链解决方案，其中一些已经显示出良好的前景。[2019/7/30]

1H/S=每秒一次运算

1KH/S=1000H/S，即每秒1千次运算

1MH/S=1000KH/S，即每秒100万次运算

1GH/S=1000MH/S，即每秒10亿次运算

1TH/S=1000GH/S，即每秒1万亿次运算

1PH/S=1000TH/S，即每秒1000万亿次运算

1EH/S=1000PH/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setgeneratetrue2，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2MH/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GETWORKRPC接口。矿机出现后，矿机算力已达10TH/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。

GPU挖矿即可以使用显卡进行挖矿，并不是所有的显卡都适合挖矿，GPU对于算力要求比较高，对于带宽、缓存等都有要求，一般的显卡并不能进行挖矿。

ASIC矿机

FPGA，Field-ProgrammableGateArray，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，ApplicationSpecificIntegratedCircuits，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。

目前市面上来说，主要有蚂蚁矿机、阿瓦隆矿机、神马矿机等专业ASIC矿机。

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。

总体来说，CPU矿机以及ASIC矿机只能针对性的挖某一两种币，GPU矿机可以挖多种币，搭配不同的程序就可以挖不同的币，不过GPU矿机一般来说与同一种币的ASIC矿机相比，效率没有它高，可以说各有优劣。

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