挖礦是作演算法運算的過程，從計算機和程式碼的角度來說，是反覆執行Hash函式並檢測執行結果的具體過程。與討論演算法一樣，挖礦也是在採用POW共識機制前提下討論。

大家已經非常清楚挖礦是由最開始的CPU挖礦，過度到GPU挖礦，最終演化到當前的ASIC(專業礦機)挖礦時代，本篇解析其中的邏輯設計和技術實現。挖礦的演進是硬體的演進過程，同時也是軟體的演進過程，尤其是軟硬體對接協議的改進過程，因此本文直接將與挖礦有關的幾個核心協議作為小標題，一步步深入討論。

在複查文章時我發現“礦工”一詞用的比較模糊，這種情況在英文文獻也差不多，日常交流中一般指擁有挖礦機器的人，本篇著眼於區塊鏈，挖礦的程式或者機器都統稱礦工(Miner)。

MINING

本小節討論挖礦原理，首先解析比特幣區塊頭(Blockheader)結構，我們說挖礦本質是執行Hash函式的過程，而Hash函式是一個單輸入單輸出函式，輸入資料就是這個區塊頭。比特幣區塊頭共6個欄位：

int32_t nVersion; //版本號，4位元組

uint256 hashPrevBlock; //前一個區塊的區塊頭hash值，32位元組

uint256 hashMerkleRoot; //包含進本區塊的所有交易構造的Merkle樹根，32位元組

uint32_t nTime; //Unix時間戳，4位元組

uint32_t nBits; //記錄本區塊難度，4位元組

uint32_t nNonce; //隨機數，4位元組

如上，比特幣每一次挖礦就是對這80個位元組連續進行兩次SHA256運算(SHA256D)，運算結果是固定的32位元組(二進位制256位)。

以上6個欄位情況又各不相同，

nVersion，區塊版本號，只有在升級時候才會改變。

hashPrevBlock，由前一個區塊決定。

nBits，由全網決定，每2016個區塊重新調整，調整演算法固定。

因此以上3個欄位可以理解為是固定的，對於每個礦工來說都一樣。礦工可以自由調整的地方是剩下的3個欄位，

nNonce，提供2^32種可能取值

nTime，其實本欄位能提供的值空間非常有限，因為合理的區塊時間有一個範圍，這個範圍是根據前一個區塊時間來定，比前一個區塊時間太早或者太超前都會被其他節點拒絕。值得一提的是，後一個區塊的區塊時間略早於前一個區塊時間，這是允許的。一般來說，礦工會直接使用機器當前時間戳。

hashMerkleRoot，理論上提供2^256種可能，本欄位的變化來自於對包含進區塊的交易進行增刪，或改變順序，或者修改Coinbase交易的輸入欄位。

根據Hash函式特性，這3個欄位中哪怕其中任意1個位的變化，都會導致Hash執行結果巨大變化。在CPU挖礦時代，搜尋空間主要由nNonce提供，進入礦機時代，nNonce提供的4個位元組已經遠遠不夠，搜尋空間轉向hashMerkleRoot。

 

1. 打包交易，檢索待確認交易記憶體池，選擇包含進區塊的交易。礦工可以任意選擇，甚至可以不選擇(挖空塊)，因為每一個區塊有容量限制(當前是1M)，所以礦工也不能無限選擇。對於礦工來說，最合理的策略是首先根據手續費對待確認交易集進行排序，然後由高到低儘量納入最多的交易。

2. 構造Coinbase，確定了包含進區塊的交易集後，就可以統計本區塊手續費總額，結合產出規則，礦工可以計算自己本區塊的收益。

3. 構造hashMerkleRoot，對所有交易構造Merkle數。

4. 填充其他欄位，獲得完整區塊頭。

5. Hash運算，對區塊頭進行SHA256D運算。

6. 驗證結果，如果符合難度，則廣播到全網，挖下一個塊;不符合難度則根據一定策略改變以上某個欄位後再進行Hash運算並驗證。

合格的區塊條件如下：

SHA256D(Blockherder) < F(nBits)

其中，SHA256D(Blockherder)就是挖礦結果，F(nBits)是難度對應的目標值，兩者都是256位，都當成大整數處理，直接對比大小以判斷是否符合難度要求。

為了節約區塊鏈儲存空間，將256位的目標值通過一定變換無失真壓縮儲存在32位的nBits欄位裡。具體變換方法為拆分利用nBits的4個位元組，第1個位元組代表右移的位數，用V1表示，後3個位元組記錄值，用V3表示，則有：

此外難度有最低限制，也就是說 有個最大值，比特幣最低難度取值nBits=0x1d00ffff，對應的最大目標值為：0x00000000FFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000

因此挖礦可以形象的類比拋硬幣，好比有256枚硬幣，給定編號1,2,3……256，每進行一次Hash運算，就像拋一次硬幣，256枚硬幣同時丟擲，落地後要求編號前n的所有硬幣全部正面向上。

SETGENERATE

Setgenerate協議介面代表了CPU挖礦時代。

中本聰在論文裡描述了“1 CPU 1 Vote”的理想數字民主理念，在最初版本客戶端就附帶了挖礦功能，客戶端挖礦非常簡單，當然，需要同步資料結束才可以挖礦。現在有很多算力很低的山寨幣還是直接使用客戶端挖礦，有兩種方式可以啟動挖礦：

1) 在配置檔案設定gen=1，然後啟動客戶端，節點將自行啟動挖礦。

2) 客戶端啟動後，利用RPC介面setgenerate控制挖礦。

如果使用經典QT客戶端，點選“幫助”選單，開啟“除錯視窗”，在“控制檯”輸入如下命令：setgenerate true 2，然後回車，客戶端就開始挖礦，後面的數字代表挖礦執行緒數，如果想關閉挖礦，在控制檯使用如下命令：setgenerate false，可以使用getmininginfo命令檢視挖礦情況。

節點挖礦過程也非常簡單：

構造區塊，初始化區塊頭各個欄位，計算Hash並驗證區塊，不合格則nNonce自增，再計算並驗證，如此往復。在CPU挖礦時代，nNonce提供的4位元組搜尋空間完全夠用(4位元組即4G種可能，單核CPU運算SHA256D算力一般是2M左右)，其實nNonce只遍歷完兩個位元組就返回去重構塊。

GETWORK

getwork協議代表了GPU挖礦時代，需求主要源於挖礦程式與節點客戶端分離，區塊鏈資料與挖礦部件分離。

使用客戶端節點直接挖礦，需要同步完整區塊鏈，資料和程式緊密結合，也就是說，如果有多臺電腦進行挖礦，需要每臺電腦都單獨同步一份區塊鏈資料。這其實沒有必要，對於礦工來說，最少只需要一個完整節點就可以。而以此同時，GPU挖礦時代的到來，也需要一個協議與客戶端節點互動。

由節點客戶端構造區塊，然後將區塊頭資料交給外部挖礦程式，挖礦程式遍歷nNonce進行挖礦，驗證合格後交付回給節點客戶端，節點客戶端驗證合格後廣播到全網。

如前所述，區塊頭共80個位元組，由於沒有區塊鏈資料和待確認交易池，nVersion，hashPrevBlock，nBits和hashMerkleRoot這4個欄位共72個位元組必須由節點客戶端提供。挖礦程式主要是遞增遍歷nNonce，必要時候可以微調nTime欄位。

對於顯示卡GPU來說，其實不用擔心nNonce的4位元組搜尋空間不足，而且挖礦程式從節點客戶端那裡拿到一份資料後，不應該埋頭工作太久，不然很有可能這個塊已經被其他人挖到，繼續挖只能做無用功，對於比特幣來說，雖然設計為每10分鐘一個區塊，良好的策略也應該在秒級內重新向節點申請新的挖礦資料。對於顯示卡來說，執行SHA256D算力一般介於200M~1G，nNonce提供4G搜尋空間，也就是說再好的顯示卡也能支撐4秒左右，調整一次nTime，又可以再挖4秒，這個時間綽綽有餘。

節點提供RPC介面getwork，該介面有一個可選引數，如果不帶引數，就是申請挖礦資料，如果帶一個引數，就是提交挖到的塊資料。

不帶引數呼叫getwork，返回資料如下：

{

“midstate” : “9226a024e0b77f61d49fd5ffdf828c6b5c4330c61ea2778c606a8e49d4ad8bd6″,

“data” :”00000002e9337bac28ee28a949d2140f9fb0a0ab740acfd739d7bcf67ca31c2301db858ad2ca54d92c8c1cded715922c4df2b07d9f10fa1a6cf3db7e949b320615761ed4581c76f21b12d87500000000000000800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080020000″,

“hash1″ :”00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000008000000000000000000000000000000000000000000000000000010000″,

“target” : “00000000000000000000000000000000000000000000000075d8120000000000″

}

Data欄位

共128位元組(80區塊頭位元組 + 48補全位元組)，因為SHA256將輸入資料切分成固定長度的分片處理，每個切片64位元組，輸入總長度必須是64位元組的整數倍，輸入長度一般不符合要求，則根據一定規則在元資料末端補全資料。其實對於挖礦來說，補全資料是固定不變的，這裡沒必要提供，外部挖礦軟體可以自行補齊。甚至連nNonce欄位都不需要提供，data最少只需要提供前面的76位元組就夠了。nTime欄位也是必不可少的，外部挖礦程式需要參照節點提供的區塊時間來調節nTime。

Target欄位

即當前區塊難度目標值，採用小頭位元組序，需要翻轉才能使用。

其實對於外部挖礦程式來說，有data 和 target這兩個欄位就可以正常挖礦了，不過getwork協議充分考慮各種情況，儘量幫助外部挖礦程式做力所能及的事，提供了兩個額外欄位，data欄位返回完整補全資料也是出於此理念。

Midstate欄位

如上所述，SHA256對輸入資料分片處理，礦工拿到data資料後，第一個分片(頭64位元組)是固定不變的，midstate就是第一個分片的計算結果，節點幫忙計算出來了。

因此，在midstate欄位輔助下，外部挖礦程式甚至只需要44位元組資料就可以正常挖礦：32位元組midstate + 第一個切片餘下的12(76-64)位元組資料。

Hash1欄位

比特幣挖礦每次都需要連續執行兩次SHA256，第一次執行結果32位元組，需要再補充32位元組資料湊足64位元組作為第二次執行SHA256的輸入。hash1就是補全資料，同理，hash1也是固定不變的。

外部挖礦程式挖到合格區塊後再次呼叫getwork介面將修改過的data欄位提交給節點客戶端。節點客戶端要求返回的資料也必須是128位元組。

每次有外部無參呼叫一次getwork時，節點客戶端構造一個新區塊，在返回資料前，都要把新區塊完整儲存在記憶體，並用hashMerkleRoot作為唯一識別符號，節點使用一個Map來存放所有構造的區塊，當下一個塊已經被其他人挖到時，立即清空Map。

getwork收到一個引數後，首先從引數提取hashMerkleRoot，在Map中找出之前儲存的區塊，接著從引數中提取nNonce和nTime填充到區塊的對應欄位，就可以驗證區塊了，如果難度符合要求，說明挖到了一個塊，節點將其廣播到全網。

getwork協議是最早版本挖礦協議，實現了節點和挖礦分離，經典的GPU挖礦驅動cgminer和sgminer，以及cpuminer都是使用getwork協議進行挖礦。getwork + cgminer一直是非常經典的配合，曾經很多新演算法推出時，都快速被移植到cgminer。即便現在，除了BTC和LTC，其他眾多競爭幣都還在使用getwork協議進行挖礦。礦機出現之後，挖礦速度得到極大提高，當前比特幣礦機算力已經達到10T/秒級別。而getwork只給外部挖礦程式提供32位元組共4G的搜尋空間，如果繼續使用getwork協議，礦機需要頻繁呼叫RPC介面，這顯然不可行。如今BTC和LTC節點都已經禁用getwork協議，轉向更新更高效的getblocktemplate協議。

GETBLOCKTEMPLATE

getblocktemplate協議誕生於2012年中葉，此時礦池已經出現。礦池採用getblocktemplate協議與節點客戶端互動，採用stratum協議與礦工互動，這是最典型的礦池搭建模式。

與getwork相比，getblocktemplate協議最大的不同點是：getblocktemplate協議讓礦工自行構造區塊。如此一來，節點和挖礦完全分離。對於getwork來說，區塊鏈是黑暗的，getwork對區塊鏈一無所知，他只知道修改data欄位的4個位元組。對於getblocktemplate來說，整個區塊鏈是透明的，getblocktemplate掌握區塊鏈上與挖礦有關的所有資訊，包括待確認交易池，getblocktemplate可以自己選擇包含進區塊的交易。

getblocktemplate 在被開發出來後並非一成不變，在隨後發行的各個版本客戶端都有所升級改動，主要是增添一些欄位，不過核心理念和核心欄位不變。目前比特幣客戶端返回資料如下，考慮到篇幅限制，交易欄位(transactions)只保留了一筆交易資料，其實根據當前實際情況，待確認交易池實時有上萬筆交易，目前區塊基本都是塞滿的(1M容量限制)，加上額外資訊，因此每次呼叫getblocktemplate基本都有1.5M左右返回資料，相對於getwork的幾百個位元組而言，不可同日而語。

Version，Previousblockhash，Bits這三個欄位分別指區塊版本號，前一個區塊Hash，難度，礦工可以直接將數值填充區塊頭對應欄位。

Transactions，交易集合，不但給了每一筆交易的16進位制資料，同時給了hash，交易費等資訊。

Coinbaseaux，如果有想要寫入區塊鏈的資訊，放在這個欄位，類似中本聰的創世塊宣言。

Coinbasevalue，挖下一個塊的最大收益值，包括髮行新幣和交易手續費，如果礦工包含Transactions欄位的所有交易，可以直接使用該值作為coinbase輸出。

Target，區塊難度目標值。

Mintime，指下一個區塊時間戳最小值，Curtime指當前時間，這兩個時間作為礦工調節nTime欄位參考。

Height，下一個區塊難度，目前協議規定要將這個值寫入coinbase的指定位置。

礦工拿到這些資料之後，挖礦步驟如下：

1. 構建coinbase交易，涉及到欄位包括Coinbaseaux，Coinbasevalue，Transactions，Height等，當然最重要的是要指定一個收益地址。

2. 構建hashMerkleRoot，將coinbase放在transactions欄位包含的交易列表之前，然後對相鄰交易兩兩進行SHA256D運算，最終可以構造交易的Merkle樹。由於coinbase有很多位元組可供礦工隨意發揮，此外交易列表也可隨意調換順序或者增刪，因而hashMerkleRoot值空間幾乎可以認為是無限的。其實getblocktemplate協議設計的主要目標就是讓礦工獲得這個巨大的搜尋空間。

3. 構建區塊頭，利用Version，Previousblockhash，Bits以及Curtime分別填充區塊頭對應欄位，nNonce欄位可預設置0。

4. 挖礦，礦工可在由nNonce，nTime，hashMerkleRoot提供的搜尋空間裡設計自己的挖礦策略。

5. 上交資料，當礦工挖到一個塊後當立即使用submitblock介面將區塊完整資料提交給節點客戶端，由節點客戶端驗證並廣播。

需要注意的是，與上文提到的GPU採用getwork挖礦一樣，雖然getblocktemplate給礦工提供了巨大搜索空間，但礦工不應對一份請求資料挖礦太久，而應迴圈適時向節點索要最新區塊和最新交易資訊，以提高挖礦收益。

POOL

挖礦有兩種方式，一種叫SOLO挖礦，另一種是去礦池挖礦。前文所述的在節點客戶端直接啟動CPU挖礦，以及依靠getwork+cgminer驅動顯示卡直接連線節點客戶端挖礦，都是SOLO挖礦，SOLO好比自己獨資買彩票，不輕易中獎，中獎則收益全部歸自己所有。去礦池挖礦好比合買彩票，大家一起出錢，能買一堆彩票，中獎後按出資比率分配收益。理論上，礦機可以藉助getblocktemplate協議連結節點客戶端SOLO挖礦，但其實早已沒有礦工會那麼做，在寫這篇文章時，比特幣全網算力1600P+，而當前最先進的礦機算力10T左右，如此算來，單臺礦機SOLO挖到一個塊的概率不到16萬分之一，礦工(人)投入真金白銀購買礦機、交付電費，不會做風險那麼高的投資，顯然投入礦池抱團挖礦以降低風險，獲得穩定收益更加適合。因此礦池的出現是必然，也不可消除，無論是否破壞系統的去中心化原則。

礦池的核心工作是給礦工分配任務，統計工作量並分發收益。礦池將區塊難度分成很多難度更小的任務下發給礦工計算，礦工完成一個任務後將工作量提交給礦池，叫提交一個share。假如全網區塊難度要求Hash運算結果的前70個位元位都是0，那麼礦池給礦工分配的任務可能只要求前30位是0(根據礦工算力調節)，礦工完成指定難度任務後上交share，礦池再檢測在滿足前30位為0的基礎上，看看是否碰巧前70位都是0。

礦池會根據每個礦工的算力情況分配不同難度的任務，礦池是如何判斷礦工算力大小以分配合適的任務難度呢?調節思路和比特幣區塊難度一樣，礦池需要藉助礦工的share率，礦池希望給每個礦工分配的任務都足夠讓礦工運算一定時間，比如說1秒，如果礦工在一秒之內完成了幾次任務，說明礦池當前給到的難度低了，需要調高，反之。如此下來，經過一段時間調節，礦池能給礦工分配合理難度，並計算出礦工的算力。

關於礦池，還有一個小插曲，在礦池剛出現時，反對聲特別強烈，很多人悲觀的認為礦池最終會導致算力集中，危及系統安全，甚至置比特幣於死地。於是有人設計並實現了P2P礦池，力圖將“抱團挖礦”去中心化，程式碼也都是開源的，但由於效率遠不如中心化的礦池沒能吸引太多算力，所謂理想很豐滿，現實很骨感。

推薦幾個比較成熟的開源礦池專案，有興趣的讀者可自行研究：

u PHP-MPOS，早期非常經典的礦池，很穩定，被使用最多，尤其山寨幣礦池，後端使用Stratum Ming協議，原始碼地址https://github.com/MPOS/php-mpos

u node-open-mining-portal，支援多幣種挖礦，原始碼地址https://github.com/zone117x/node-open-mining-portal

u Powerpool，支援混合挖礦，原始碼地址https://github.com/sigwo/powerpool

執行一個礦池需要考慮的問題很多，比如為了得到最及時的全網資訊，礦池一般對接幾個網路節點，而且最好分佈在地球的幾大洲。另外提高出塊率，降低孤塊率，降低空塊率等都是礦池的核心技術問題，本文不能一一展開討論，接下來只詳細討論一個問題，即礦池與礦工的具體配合工作方式——stratum協議。

STRATUM

礦池通過getblocktemplate協議與網路節點互動，以獲得區塊鏈的最新資訊，通過stratum協議與礦工互動。此外，為了讓之前用getwork協議挖礦的軟體也可以連線到礦池挖礦，礦池一般也支援getwork協議，通過階層挖礦代理機制實現(Stratum mining proxy)。須知在礦池剛出現時，顯示卡挖礦還是主力，getwork用起來非常方便，另外早期的FPGA礦機有些是用getwork實現的，stratum與礦池採用TCP方式通訊，資料使用JSON封裝格式。

礦工驅動：在getblocktemplate協議裡，依然是由礦工主動通過HTTP方式呼叫RPC介面向節點申請挖礦資料，這就意味著，網路最新區塊的變動無法及時告知礦工，造成算力損失。

資料負載：如上所述，如今正常的一次getblocktemplate呼叫節點都會反饋回1.5M左右的資料，其中主要資料是交易列表，礦工與礦池需頻繁互動資料，顯然不能每次分配工作都要給礦工附帶那麼多資訊。再者巨大的記憶體需求將大大影響礦機效能，增加成本。

Stratum協議徹底解決了以上問題。

Stratum協議採用主動分配任務的方式，也就是說，礦池任何時候都可以給礦工指派新任務，對於礦工來說，如果收到礦池指派的新任務，應立即無條件轉向新任務;礦工也可以主動跟礦池申請新任務。

現在最核心的問題是如何讓礦工獲得更大的搜尋空間，如果參照getwork協議，僅僅給礦工可以改變nNonce和nTime欄位，則互動的資料量很少，但這點搜尋空間肯定是不夠的。想增加搜尋空間，只能在hashMerkleroot下功夫，如果讓礦工自己構造coinbase，那麼搜尋空間的問題將迎刃而解，但代價是必要要把區塊包含的所有交易都交給礦工，礦工才能構造交易列表的Merkleroot，這對於礦工來說壓力更大，對於礦池頻寬要求也更高。

Stratum協議巧妙解決了這個問題，成功實現既可以給礦工增加足夠的搜尋空間，又只需要互動很少的資料量，這也是Stratum協議最具創新的地方。

Stratum協議嚴格規定了礦工和礦池互動的介面資料結構和互動邏輯，具體如下：

1. 礦工訂閱任務

啟動挖礦機器，使用mining.subscribe方法連結礦池

{“id”: 1, “method”: “mining.subscribe”, “params”: []}\n //申請連結

{“id”: 1, “result”: [ [ ["mining.set_difficulty", "b4b6693b72a50c7116db18d6497cac52"], ["mining.notify", "ae6812eb4cd7735a302a8a9dd95cf71f"]], “08000002″, 4], “error”: null}\n //返回資料

返回資料很重要，礦工需本地記錄，在整個挖礦過程中都用到，其中：

u b4b6693b72a50c7116db18d6497cac52：給礦工指定初始難度，

u ae6812eb4cd7735a302a8a9dd95cf71f：訂閱號ID

u 08000002：學名Extranonce1 ，用於構造coinbase交易

u 4：學名Extranonce2_size ，即Extranonce2的長度，這裡指定4個位元組

Extranonce1，和 Extranonce2對於挖礦很重要，增加的搜尋空間就在這裡，現在，我們至少有了8個位元組的搜尋空間，即nNonce的4個位元組，以及 Extranonce2的4個位元組。

2. 礦池授權

在礦池註冊一個賬號 ，新增礦工，礦池允許每個賬號任意新增礦工數，並取不同名字以區分。礦工使用mining.authorize 方法申請授權，只有被礦池授權的礦工才能收到礦池指派任務。

{“params”: ["slush.miner1", "password"], “id”: 2, “method”: “mining.authorize”}\n

{“error”: null, “id”: 2, “result”: true}\n

3. 礦池分配任務

{“params”: ["bf", "4d16b6f85af6e2198f44ae2a6de67f78487ae5611b77c6c0440b921e00000000",

"01000000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000ffffffff20020862062f503253482f04b8864e5008",

"072f736c7573682f000000000100f2052a010000001976a914d23fcdf86f7e756a64a7a9688ef9903327048ed988ac00000000", ["76cffd68bba7ea661512b68ec6414438191b08aaeaec23608de26ac87820cbd02016","e5a796c0b88fe695949a3e7b0b7b1948a327b2f28c5dbe8f36f0a18f96b2ffef2016"],

“00000002″, “1c2ac4af”, “504e86b9″, false], “id”: null, “method”: “mining.notify”}

以上每個欄位資訊都是必不可少，其中：

u bf：任務號ID，每一次任務都有唯一識別符號

u 4d16b6f85af6e2198f44ae2a6de67f78487ae5611b77c6c0440b921e00000000：前一個區塊hash值，hashPrevBlock

u 01000000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000ffffffff20020862062f503253482f04b8864e5008：學名coinb1 ，構造coinbase的第一部分序列資料

u 072f736c7573682f000000000100f2052a010000001976a914d23fcdf86f7e756a64a7a9688ef9903327048ed988ac00000000：學名coinb2 ，構造coinbase的第二部分序列資料，

u ["76cffd68bba7ea661512b68ec6414438191b08aaeaec23608de26ac87820cbd02016","e5a796c0b88fe695949a3e7b0b7b1948a327b2f28c5dbe8f36f0a18f96b2ffef2016"]:學名merkle_branch，交易列表的壓縮表示方式，即上圖的黑點

u 00000002：區塊版本號，nVersion

u 1c2ac4af：區塊難度nBits

u 504e86b9：當前時間戳，nTime

有了以上資訊，再加上之前拿到的Extranonce1 和Extranonce2_size，就可以挖礦了。

4. 挖礦

1) 構造coinbase交易

用到的資訊包括Coinb1, Extranonce1, Extranonce2_size 以及Coinb2，構造很簡單：

Coinbase=Coinb1 + Extranonce1 + Extranonce2 + Coinb2

為啥可以這樣，因為礦池幫礦工做了很多工作，礦池已經構建了coinbase交易，系列化後在指定位置分割成coinb1和coinb2，coinb1和coinb2包含指定資訊，比如coinb1包含區塊高度，coinb2包含了礦工的收益地址和收益額等資訊，但是這些資訊對於礦工來說無關緊要，礦工挖礦的地方只是Extranonce2 的4個位元組。另外Extranonce1是礦池寫入區塊的指定資訊，一般來說，每個礦池會寫入自己礦池的資訊，比如礦池名字或者域名，我們就是根據這個資訊統計每個礦池在全網的算力比重。

2) 構建Merkleroot

利用coinbase和merkle_branch，按照上圖方式構造hashMerkleroot欄位。

3) 構建區塊頭

填充餘下的5個欄位，現在，礦池可以在nNonce和Extranonce2 裡搜尋進行挖礦，如果嫌搜尋空間還不夠，只要增加Extranonce2_size為多幾個位元組就可輕而易舉解決。

5. 礦工提交工作量

當礦工找到一個符合難度的shares時，提交給礦池，提交的資訊量很少，都是必不可少的欄位：

{“params”: ["slush.miner1", "bf", "00000001", "504e86ed", "b2957c02"], “id”: 4, “method”: “mining.submit”}

{“error”: null, “id”: 4, “result”: true}

slush.miner1：礦工名字，礦池用以識別誰提交的工作量

bf：任務號ID，礦池在分配任務之前，構造了Coinbase等資訊，用這個任務號唯一標識

00000001：Extranonce2

504e86ed：nTime欄位

b2957c02：nNonce欄位

礦池拿到以上5個欄位後，首先根據任務號ID找出之前分配任務前儲存的資訊(主要是構建的coinbase交易以及包含的交易列表等)，然後重構區塊，再驗證shares難度，對於符合難度要求的shares，再檢測是否符合全網難度。

6. 礦池給礦工調節難度

礦池記錄每個礦工的難度，並根據shares率不斷調節以指定合適難度。礦池可以隨時通過mining.set_difficulty方法給礦工發訊息另其改變難度。

{ “id”: null, “method”: “mining.set_difficulty”, “params”: [2]}

如上，Stratum協議核心理念基本解析清楚，在getblocktemplate協議和Stratum協議的配合下，礦池終於可以大聲的對礦工說，讓算力來的更猛烈些吧。

AUXPOW

在挖礦的發展歷史上，還出現了一個天馬行空的事情，即混合挖礦(Merge Mining)。域名幣(Namecoin)最先使用混合挖礦模式，掛靠在比特幣鏈條上，礦工挖比特幣時，可以同時挖域名幣，後來狗狗幣(Dogecoin)也支援混合挖礦，掛靠在萊特幣(Litecoin)鏈條上。混合挖礦使用Auxiliary Proof-of-Work (AuxPOW)協議實現，雖然混合挖礦不怎麼流行，但是協議設計的很精巧，最初看到協議時我不禁感嘆社群的力量之偉大，這種都能想出來。

以域名幣的混合挖礦舉例，比特幣作為父鏈(Parent Blockchain)，域名幣作為輔鏈(Auxiliary Blockchain)，AuxPOW協議的實現無需改動父鏈(比特幣當然不會為了域名幣做任何改動)，但輔鏈需要做針對性設計，比如狗狗幣改為支援混合挖礦時就進行了硬分叉。

AuxPOW協議核心理念不同的地方在於：

對於經典的POW區塊，規定只有難度符合要求才算一個合格的區塊，AuxPOW協議對區塊難度沒有要求，但附加兩個條件：

1. 輔鏈區塊的hash值必須內置於父鏈區塊的Coinbase裡。

2. 該父鏈區塊的難度必須符合輔鏈的難度要求。

將輔鏈區塊的hash值內置於父鏈的Coinbase，其實是利用父鏈作存在證明。這樣就可以實現間接依靠父鏈的算力來維護輔鏈安全。一般來說，父鏈的算力比輔鏈大，因而滿足父鏈難度要求的區塊一定同時滿足輔鏈難度要求，反之則不成立。這樣一來，很多本來在父鏈達不到難度要求的區塊，卻達到輔鏈難度要求，礦工g=廣播到輔鏈網路，在輔鏈獲得收益，何樂而不為。

AuxPOW協議對兩條鏈都有一些資料結構方面的規定，對於父鏈，要求必須在區塊的coinbase的scriptSig欄位中插入如下格式的44位元組資料：

將輔鏈區塊hash值內建在父鏈的Coinbase，意味著礦工在構造父鏈Coinbase之前，必先構造輔鏈的AuxPOW 區塊並計算hash值。如果只挖一條輔鏈，情況較為簡單，如果同時挖多條輔鏈，則先對所有輔鏈在挖區塊構造Merkleroot。礦池可以將特定的44位元組資訊內置於上文Stratum協議中提到的Coinb1中，交給礦工挖礦。對礦工返回的shares重構父鏈區塊和所有輔鏈區塊，並檢測難度，如果符合輔鏈難度要求，則將整個AuxPOW區塊廣播到輔鏈。

輔鏈節點驗證AuxPOW區塊邏輯過程如下：

1. 依靠父鏈區塊頭(parent_block)和區塊Hash值(block_hash，本欄位其實沒必要，因為節點可以自行計算)，驗證父鏈區塊頭是否符合輔鏈難度要求。

2. 依靠Coinbase交易(coinbase_txn)、其所在的分支(coinbase_branch)以及父鏈區塊頭(parent_block)，驗證Coinbase交易是否真的被包含在父鏈區塊中。

3. 依靠輔鏈分支(blockchain_branch)，以及Coinbase中放Hash值的地方(aux_block_hash)，驗證輔鏈區塊Hash是否內置於父鏈區塊的Coinbase交易中。

通過以上3點驗證，則視為合格的輔鏈區塊。

CONCLUSION

中本聰最初設計比特幣時希望所有節點都採用CPU挖礦，一般認為只有這樣才能充分保證區塊鏈的去中心化特徵，比特幣在CPU時代安全度過了萌芽階段。getwork和cgminer將挖礦帶入GPU時代，國內顯示卡曾經一度脫銷，全網算力迅速提升了一個檔次，CPU挖礦慘遭淘汰。隨著越來越多人蔘與挖礦，全網算力不斷上升，催生了抱團挖礦(礦池)。然而GPU時代的繁榮歷史也沒能持續多久就被getblocktemplate，stratum以及礦機帶入了ASIC時代。

getwork實現了資料與挖礦分離，getblocktemplate給外部挖礦程式提供了最大自由度，徹底解決了外部挖礦程式與節點互動的可擴充套件性問題(scalability problems)，主要用於礦池與網路節點對接。stratum不但解決了搜尋空間不足的問題，同時也解決了礦池與礦機互動資料量大的問題。getblocktemplate和stratum這兩個協議使大型礦池，大規模礦場，大算力礦機成為可能，從此挖礦產業進入一個全新階段，此後挖礦的演進主要集中於幾個方向：礦池的設計優化與穩定執行，礦場的科學部署，以及礦機工藝升級，提升算力，降低功耗等。

作者：周鄴飛—幣創網技術副總裁、區塊鏈技術專家、DACA區塊鏈協會講師。