区块链之CPU挖矿、GPU挖矿、ASIC挖矿原理以及区别

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。

杭州市中级人民法院：以区块链技术为基础探索长三角一体化金融治理平台:金色财经报道，11月4日下午，上海金融法院与南京市中级人民法院（以下简称南京中院）、杭州市中级人民法院、合肥市中级人民法院、苏州市中级人民法院在线举行《长三角区域金融司法合作协议》签署仪式，杭州中院表示将以区块链技术为基础，与合作法院一同探索长三角一体化金融治理平台。[2021/11/5 6:32:50]

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。

美股区块链概念股普遍收跌:今日美股收盘，美股区块链概念股普遍收跌。柯达收跌3.1%，埃森哲收跌1.4%，Overstock.com收跌3.16%，Riot Blockchain收跌3.38%，Marathon Patent收跌4.59%，Square收跌3.08%。[2020/10/7]

算力的表示

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。

声音 | 海联金汇：公司区块链专利已应用于相关区块链应用系统之中:海联金汇（SZ002537）在互动平台回复投资者提问表示，公司区块链相关专利申请均源于相关课题研究以及技术产品研发等过程，目前已应用于公司自主研发的区块链底层UChains、区块链中间层 bs4chain 以及相关区块链应用系统之中。截至目前，我司与特斯拉尚未有业务合作。[2020/2/4]

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。

行情 | 在美上市区块链中概股涨跌各异:今日美股收盘，在美上市区块链中概股涨跌各异。人人网收跌1.00%，中网在线收平，寺库收跌3.91%，迅雷收跌1.16%，猎豹移动收涨2.22%，兰亭集势收涨0.37%。[2019/7/3]

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。

人民网舆情数据中心汪大伟：品牌金融是以区块链等技术为手段，提供金融解决方案:5月8日，“2018中国品牌战略发展论坛”在郑州举行。人民网舆情数据中心战略产品中心主任汪大伟接受采访时指出，品牌金融是以大数据风控和区块链技术为手段，以供应链服务为应用交易场景，为金融机构等提供金融解决方案。[2018/5/10]

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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