【深度】区块链的挖矿演进(二)

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2019-7-6 15:15:30
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你家里有“矿”吗?

运行一个矿池需要考虑的问题很多,比如为了得到最及时的全网信息,矿池一般对接几个网络节点,而且最好分布在地球的几大洲。另外提高出块率,降低孤块率,降低空块率等都是矿池的核心技术问题,本文不能一一展开讨论,接下来只详细讨论一个问题,即矿池与矿工的具体配合工作方式——stratum协议。

STRATUM

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。

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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。

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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

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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: b4b6693b72a50c7116db18d6497cac52:给矿工指定初始难度, ae6812eb4cd7735a302a8a9dd95cf71f:订阅号ID 08000002:学名Extranonce1 ,用于构造coinbase交易 4:学名Extranonce2_size ,即Extranonce2的长度,这里指定4个字节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。

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3. 矿池分配任务

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以上每个字段信息都是必不可少,其中:

bf:任务号ID,每一次任务都有唯一标识符

前一个区块hash值,hashPrevBlock:4d16b6f85af6e2198f44ae2a6de67f78487ae5611b77c6c0440b921e00000000:

学名coinb1 ,构造coinbase的第一部分序列数据:01000000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000ffffffff20020862062f503253482f04b8864e5008

学名coinb2 ,构造coinbase的第二部分序列数据:

072f736c7573682f000000000100f2052a010000001976a914d23fcdf86f7e756a64a7a9688ef9903327048ed988ac00000000

学名merkle_branch,交易列表的压缩表示方式,即上图的黑点:

["76cffd68bba7ea661512b68ec6414438191b08aaeaec23608de26ac87820cbd02016","e5a796c0b88fe695949a3e7b0b7b1948a327b2f28c5dbe8f36f0a18f96b2ffef2016"]

00000002:区块版本号,nVersion 1c2ac4af:区块难度nBits 504e86b9:当前时间戳,nTime

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

构造coinbase交易

用到的信息包括Coinb1, Extranonce1, Extranonce2_size 以及Coinb2,构造很简单:

Coinbase=Coinb1 + Extranonce1 + Extranonce2 + Coinb2

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。

构建Merkleroot

利用coinbase和merkle_branch,按照上图方式构造hashMerkleroot字段。

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

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:

slush.miner1:矿工名字,矿池用以识别谁提交的工作量 bf:任务号ID,矿池在分配任务之前,构造了Coinbase等信息,用这个任务号唯一标识 00000001:

Extranonce2 504e86ed:nTime字段 b2957c02:nNonce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。

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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。

AUXPOW

在挖矿的发展历史上,还出现了一个天马行空的事情,即混合挖矿(Merge Mining)。域名币(Namecoin)最先使用混合挖矿模式,挂靠在比特币链条上,矿工挖比特币时,可以同时挖域名币,后来狗狗币(Dogecoin)也支持混合挖矿,挂靠在莱特币(Litecoin)链条上。混合挖矿使用Auxiliary Proof-of-Work (AuxPOW)协议实现,虽然混合挖矿不怎么流行,但是协议设计的很精巧,最初看到协议时我不禁感叹社区的力量之伟大,这种都能想出来。

以域名币的混合挖矿举例,比特币作为父链(Parent Blockchain),域名币作为辅链(Auxiliary Blockchain),AuxPOW协议的实现无需改动父链(比特币当然不会为了域名币做任何改动),但辅链需要做针对性设计,比如狗狗币改为支持混合挖矿时就进行了硬分叉。

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AuxPOW的实现得益于比特币Coinbase的输入字段,中本聪当初不知有意无意,在此处只规定了长度限制,留了一片未定义区域。这片区域后来对比特币的发展产生深远影响,很多升级和优化都盯上这片区域,比如上文讲的Stratum协议。中本聪类似的有意无意情况还有很多,比如交易的nSequence字段,也是因为没有明确定义,被黑客盯上引发的“延展性”问题成了“门头沟”倒闭的替罪羊。再比如说nNonce,如果一开始定义的字节大一些,你比方说32字节,挖矿的演进就不需要以上讨论的那么多协议。

AuxPOW协议核心理念不同的地方在于:

对于经典的POW区块,规定只有难度符合要求才算一个合格的区块

AuxPOW协议对区块难度没有要求,但附加两个条件:

辅链区块的hash值必须内置于父链区块的Coinbase里。

该父链区块的难度必须符合辅链的难度要求。

将辅链区块的hash值内置于父链的Coinbase,其实是利用父链作存在证明。这样就可以实现间接依靠父链的算力来维护辅链安全。一般来说,父链的算力比辅链大,因而满足父链难度要求的区块一定同时满足辅链难度要求,反之则不成立。这样一来,很多本来在父链达不到难度要求的区块,却达到辅链难度要求,矿工g=广播到辅链网络,在辅链获得收益,何乐而不为。

AuxPOW协议对两条链都有一些数据结构方面的规定,对于父链,要求必须在区块的coinbase的scriptSig字段中插入如下格式的44字节数据:

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对于辅链,对原区块结构改动比较大,在nNonce字段和txn_count之间插入了5个字段,这种区块取名AuxPOW区块。

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混合挖矿要求父链和辅链的算法一致,是否支持混合挖矿是矿池的决定,矿工不知道是否在混合挖矿。矿池如果支持混合挖矿,需要对接所有辅链的节点。

将辅链区块hash值内置在父链的Coinbase,意味着矿工在构造父链Coinbase之前,必先构造辅链的AuxPOW 区块并计算hash值。如果只挖一条辅链,情况较为简单,如果同时挖多条辅链,则先对所有辅链在挖区块构造Merkleroot。矿池可以将特定的44字节信息内置于上文Stratum协议中提到的Coinb1中,交给矿工挖矿。对矿工返回的shares重构父链区块和所有辅链区块,并检测难度,如果符合辅链难度要求,则将整个AuxPOW区块广播到辅链。

辅链节点验证AuxPOW区块逻辑过程如下:


  • 依靠父链区块头(parent_block)和区块Hash值(block_hash,本字段其实没必要,因为节点可以自行计算),验证父链区块头是否符合辅链难度要求。

  • 依靠Coinbase交易(coinbase_txn)、其所在的分支(coinbase_branch)以及父链区块头(parent_block),验证Coinbase交易是否真的被包含在父链区块中。

  • 依靠辅链分支(blockchain_branch),以及Coinbase中放Hash值的地方(aux_block_hash),验证辅链区块Hash是否内置于父链区块的Coinbase交易中。

通过以上3点验证,则视为合格的辅链区块。

CONCLUSION

中本聪最初设计比特币时希望所有节点都采用CPU挖矿,一般认为只有这样才能充分保证区块链的去中心化特征,比特币在CPU时代安全度过了萌芽阶段。getwork和cgminer将挖矿带入GPU时代,国内显卡曾经一度脱销,全网算力迅速提升了一个档次,CPU挖矿惨遭淘汰。随着越来越多人参与挖矿,全网算力不断上升,催生了抱团挖矿(矿池)。然而GPU时代的繁荣历史也没能持续多久就被getblocktemplate,stratum以及矿机带入了ASIC时代。

getwork实现了数据与挖矿分离,getblocktemplate给外部挖矿程序提供了最大自由度,彻底解决了外部挖矿程序与节点交互的可扩展性问题(scalability problems),主要用于矿池与网络节点对接。stratum不但解决了搜索空间不足的问题,同时也解决了矿池与矿机交互数据量大的问题。getblocktemplate和stratum这两个协议使大型矿池,大规模矿场,大算力矿机成为可能,从此挖矿产业进入一个全新阶段,此后挖矿的演进主要集中于几个方向:矿池的设计优化与稳定运行,矿场的科学部署,以及矿机工艺升级,提升算力,降低功耗等。

来源:https://www.jianshu.com/p/a384b12834d8

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