區塊鏈之CPU挖礦、GPU挖礦、ASIC挖礦原理以及區別_區塊鏈

區塊鏈世界里，有些非常有意思的比喻，像挖金子一樣“挖”數字貨幣叫做“挖礦”，挖數字貨幣的人被稱為“礦工”，而用于“挖”數字貨幣的電腦被稱為“礦機”。

比特幣挖礦原理

比特幣的區塊頭，共含6個字段，如下：

int32_tnVersion，4字節，版本號，一般固定不變，僅在升級時改變。

uint256hashPrevBlock，32字節，前一個區塊的區塊頭哈希，由前一個區塊決定。

uint256hashMerkleRoot，32字節，包含進區塊的所有交易構造的Merkle根，調整區塊中的交易次序、增刪交易、或修改Coinbase交易時改變。

uint32_tnTime，4字節，時間戳，后一個區塊時間略早于前一個區塊是被允許的，但必須在合理的時間區間，一般會直接使用機器當前時間戳。

uint32_tnBits，4字節，挖礦難度，由全網決定，每2016個區塊按算法重新調整。

聲音 | 長沙市委常委：區塊鏈等技術已與經濟、政府職能等融為一體:據中國新聞網消息，在“區塊鏈應用實例與前沿研討”上，長沙市委常委、統戰部部長譚小平表示，長沙是中部地區的重要城市，正在推進高質量發展。高質量發展的驅動力是科技，大數據、區塊鏈等前沿技術已與經濟、社會、政府職能等融為一體。[2019/3/18]

uint32_tnNonce，4字節，隨機數，提供2^32種取值。即4,294,967,296。

其中nVersion、hashPrevBlock、nBits是固定的，其他hashMerkleRoot、nTime、nNonce為可變的。比特幣挖礦原理即，不斷變更區塊頭中的可變值，使得對區塊頭做雙重SHA256哈希，結果小于挖礦難度目標值。即：SHA256D(BlockHeader)<F(nBits)　

其中SHA256D(BlockHeader)即對區塊頭做雙重SHA256哈希，F(nBits)即按nBits計算的難度目標值。

動態 | 360發布2018年網絡安全大事件：EOS區塊鏈漏洞上榜:12月27日消息，360安全衛士官微發布2018年網絡安全大事件，關鍵詞包括：EOS區塊鏈漏洞、韓國平昌冬奧會遭攻擊、美國Under Amour數據泄露等。[2018/12/27]

算力的表示

1H/S=每秒一次運算

1KH/S=1000H/S，即每秒1千次運算

1MH/S=1000KH/S，即每秒100萬次運算

1GH/S=1000MH/S，即每秒10億次運算

1TH/S=1000GH/S，即每秒1萬億次運算

1PH/S=1000TH/S，即每秒1000萬億次運算

1EH/S=1000PH/S，即每秒100萬萬億次運算

CPU挖礦原理

CPU挖礦，即利用RPC接口setgenerate控制挖礦。

動態 | ICD為伊斯蘭銀行提供基于區塊鏈的工具:據路透社消息，總部位于沙特阿拉伯的多邊機構稱，伊斯蘭私營部門發展公司（ICD）計劃推出一種基于區塊鏈的產品，以幫助伊斯蘭銀行管理其流動性需求。伊斯蘭金融越來越多地尋求技術公司或金融科技公司開發符合伊斯蘭教法的產品，以拓展新的市場，并在中東和東南亞的行業核心中心發展，ICD是伊斯蘭開發銀行集團的私營部門。[2018/12/3]

控制臺輸入setgeneratetrue2，即開始挖礦，后邊的數字表示代表的挖礦線程數，當然前提先完成同步數據。

由于單CPU運算SHA256D算力約為2MH/S，因此nNonce提供的4字節搜索空間完全夠用，即支持4G種取值。

GPU挖礦原理

GPU運算SHA256D算力約為200M-1G，nNonce提供4G搜索空間，如果僅調整nNonce取值，可以支持4秒左右。因此可以調整nTime，每調整一次nTime，可以繼續挖礦4秒。

動態 | 日本區塊鏈企業Chaintope獲1.1億日元融資:據日經新聞消息，日本區塊鏈技術開發企業Chaintope已從風投機構ANRI獲得1.1億日元融資，該筆資金將用于區塊鏈技術的新功能開發及海內外試驗。[2018/10/8]

GPU挖礦使用GETWORK協議，即挖礦程序和節點分離，也即挖礦部件與區塊鏈數據分離。GPU挖礦時代，使用GETWORK協議，使得挖礦程序與節點交互。

核心思路為：節點構造區塊，將區塊頭數據交給挖礦程序，挖礦程序遍歷nNonce進行挖礦。驗證合格交付給節點，節點提取nNonce和nTime驗證區塊，如果符合要求即向全網廣播。遍歷結束將調用GETWORK，節點構造新區塊，然后重復上述過程。

GPU經典挖礦驅動為cgminer，源碼為https://github.com/ckolivas/cgminer。

GPU挖礦缺陷：GETWORK協議給挖礦程序提供的搜索空間為4G，結束后需再次調用GETWORKRPC接口。礦機出現后，礦機算力已達10TH/S，繼續使用GETWORK協議將頻繁調用RPC接口，顯然不太合適。因此需轉向更高效的getblocktemplate協議。

人民日報海外版：不是所有領域都能實現“區塊鏈+”:據人民日報海外版消息，區塊鏈的作用和價值正在得到越來越多的認可，但是現在的區塊鏈真的已經能夠發揮如此大的影響力了嗎?很多業內人士都表示，區塊鏈處于起步階段，要警惕跟風炒作區塊鏈的概念。在當前區塊鏈發展階段，并非所有的領域都可以實現“區塊鏈+”，要防止新瓶裝舊酒，尤其要防止觸及監管紅線的行為。[2018/5/23]

GPU挖礦即可以使用顯卡進行挖礦，并不是所有的顯卡都適合挖礦，GPU對于算力要求比較高，對于帶寬、緩存等都有要求，一般的顯卡并不能進行挖礦。

ASIC礦機

FPGA，Field-ProgrammableGateArray，譯為現場可編程門陣列。

是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。能用FPGA實現各種AISC、DSP和單片機。FPGA作為挖礦硬件，對于ASIC來說屬于必然的過度技術。

ASIC，ApplicationSpecificIntegratedCircuits，即專用集成電路。是指應特定用戶要求和特定電子系統的需要而設計、制造的集成電路。

目前市面上來說，主要有螞蟻礦機、阿瓦隆礦機、神馬礦機等專業ASIC礦機。

礦池挖礦原理

礦工通過getblocktemplate協議與節點交互，或礦池采用stratum協議與礦工交互，即為礦池的兩種典型搭建模式。

與getwork相比，getblocktemplate協議讓礦工自行構造區塊，因此使得節點與挖礦完全分離。礦工拿到一系列數據后，開始挖礦：

1、構建coinbase交易。

2、coinbase交易放在交易列表之前，構建hashMerkleRoot。因coinbase、以及交易次序均可調整，因此hashMerkleRoot空間可以認為無限大。因此getblocktemplate協議也使礦工獲得了巨大的搜索空間。

3、構建區塊頭。

4、挖礦，即礦工可以在nNonce、nTime、hashMerkleRoot提供的搜索空間中涉及任意的挖礦策略。

5、上交數據，如果挖礦成功即提交給節點，由節點驗證并廣播。

getblocktemplate協議的問題：

1、礦工通過HTTP方式調用RPC接口向節點申請挖礦數據，因此網絡中最新區塊變動無法告知礦工，造成算力浪費。

2、每次調用getblocktemplate，節點都會返回1.5M左右數據，因頻繁交互將因此增加大量成本。Stratum協議將解決上述問題。

Stratum協議

Stratum協議，采用主動分配任務的方式，也即礦池任何時候都可以給礦工分派任務。對于礦工，如收到新任務，將無條件轉向新任務。另外礦工也可以向礦池申請新任務。

最核心問題為，如何使得礦工獲得更大的搜索空間。如果僅礦工僅可改變nNonce和nTime，交互數據少但搜索空間不足。如果允許礦工構造coinbase，搜索空間大但代價是需要將所有交易交給礦工，因此對礦池帶寬要求較高。

Stratum協議巧妙解決了這個問題。即：基于Merkler樹的原理，無需將全部交易發給礦工，只需將構造hashMerkleroot所需的少數幾個節點交給礦工即可。同時將構造coinbase所需信息交給礦工，礦工可基于少數信息構造hashMerkleroot。照此方式，如果包含N筆交易，僅需將log2(N)個hash值交給礦工。因此可大大降低交互的數據量。

礦池的核心即給礦工分派任務，統計工作量并分發收益。礦池可以將區塊難度分成更小的任務發給礦工，礦工完成任務提交礦池。如果全網區塊難度要求前70位為0，那么礦池可以給礦工分派難度為前30位0的任務，礦池再判斷是否碰巧前70位都為0。

總體來說，CPU礦機以及ASIC礦機只能針對性的挖某一兩種幣，GPU礦機可以挖多種幣，搭配不同的程序就可以挖不同的幣，不過GPU礦機一般來說與同一種幣的ASIC礦機相比，效率沒有它高，可以說各有優劣。

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