區塊鏈之CPU挖礦、GPU挖礦、ASIC挖礦原理以及區別_區塊鏈:LOCK

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 | Workday首席執行官：區塊鏈技術將在就業市場上變得越來越重要:金色財經報道，人力資源公司Workday的首席執行官Aneel Bhusri在達沃斯表示，突破性的人工智能和區塊鏈技術將在就業市場上變得越來越重要。Bhusri稱，區塊鏈是一種尋求解決問題的技術。我們找到了一個要解決的問題，那就是證書的真實性。區塊鏈將防止求職者就其專業和教育歷史說謊的能力，這是一個普遍存在的問題，甚至出現在CEO級別上、在LinkedIn等平臺上以及與招聘公司合作的背景調查公司中。[2020/1/24]

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)　

行情 | 美股區塊鏈概念股普遍收跌:今日美股收盤，美股區塊鏈概念股普遍收跌。柯達收漲4.81%，埃森哲收跌0.26%，Overstock.com收跌2.17%，Riot Blockchain收跌2.27%，Marathon Patent收跌5.26%，Square收漲1.35%。[2019/12/10]

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。

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

聲音 | 上海市虹口區委常委：虹口區將推動人工智能、區塊鏈等領域關鍵技術突破:上海市虹口區委常委、副區長張偉在華為云城市峰會上表示，虹口區將實現企業集聚發展，推動人工智能、區塊鏈、大數據等領域關鍵技術突破，促進產業融合快速發展，將引進一批以科創板上市公司為代表的龍頭企業集聚， 5G相關產業的產值超過100億。（科創板日報）[2019/12/4]

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。

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 | 山石網科沒有參與區塊鏈技術本身的研發與應用:金色財經報道，山石網科(688030.SH)董秘尚喜鶴表示，截至目前，公司沒有參與區塊鏈技術本身的研發與應用，但公司的產品可以解決區塊鏈涉及的通用網絡安全問題。尚喜鶴表示，公司對區塊鏈保持密切關注，也會及時與客戶進行交流溝通，根據客戶需求完善產品線，同時也會積極關注區塊鏈的未來發展。[2019/11/7]

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。

動態 | IBM區塊鏈業務板塊已拓展至銀行、物流、制造等行業:WinterGreen Research 公司近期的一份報告顯示，在總規模超過 7 億美元的區塊鏈產品和服務市場中，IBM 已經成為占據最大市場份額的公司。IBM區塊鏈業務現涉及銀行、制造、物流、保險、健康、零售、能源、金服等行業。[2018/7/13]

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。

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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