挖矿从入门到精通(三)

入门——挖矿基础知识

POW挖矿本质就是构造符合要求的区块并进行验证的过程。本期教程将通过介绍比特币区块的结构与其打包,验证过程来解释POW挖矿的逻辑过程。

区块结构

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2019-09-19 14:49:20爆出的比特币区块 来自:BTC.com
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比特币区块分为四部分,区块头Blockheader,区块大小Size,区块交易数Tx counter,以及交易列表。

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区块头内包含六个字段,Version,PrevBlock,MerkleRoot,Time,Bits,Nonce。

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区块打包过程

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具体过程如下:

  1. 从未确定交易池中选择交易,通常尽可能多的优先选择手续费高的交易。
  2. 构造coinbase交易,计算打包交易中的挖矿手续费,与coinbase奖励(目前为12.5BTC)一起发送到打包矿工的地址。
  3. 由打包交易与coinbase交易得到区块结构中的区块大小,区块交易数与交易列表。
  4. 对所有交易(包含coinbase交易)进行hash运算,得到MerkleRoot。
  5. 自行填写Nouce,由当前环境填写Version,PrevBlock,Time,Bits,与得到的hashMerkleRoot一同构成区块头。

区块头与区块大小,区块交易数与交易列表就构成了一个比特币区块。

打包一个比特币区块,矿机一瞬间就可以完成,但是比特币主链只会允许符合难度要求的区块进行广播,那么如何验证区块是否符合难度要求呢?

区块难度验证

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20190919比特币难度情况 来源:BTC.com
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验证过程为:区块打包成功后对区块中的区块头进行hash运算,将运算结果与当前全网难度比对,若运算结果小于全网难度,则成功广播。但如果运算结果大于全网难度,则需要重新构造区块头再次循环。

由于hash算法的不可逆性质,矿工只能挨个去尝试改变区块头的构造来满足难度要求,算力越大,满足难度要求的可能性就越大,这就是POW工作量证明机制。

矿工需要不断改变区块头的信息,使得SHA256D(BlockHeader)<全网难度,那么在第一次验证失败后如何更改区块头信息呢?

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区块头中的数据,Version,PrevBlock,Bits,Time在同一时刻是一定的,不会发生变化。矿工能够修改的部分为Nonce和MerkleRoot。

Nouce是一个四个字节的随机数,可能取到的值有2^32个。在早期使用CPU与GPU进行比特币挖矿时,矿工只需要通过改变Nonce的值来重新构造区块头从而得到新的SHA256D(BlockHeader)。

MerkleRoot是对区块内所有交易进行hash运算的256位hash值,改变coinbase的输入信息和改变交易排列顺序都可以改变MerkleRoot从而改变区块头得到新的SHA256D(BlockHeader)。

ASIC矿机出现后,Nonce提供的2^32可能取值无法将爆块时间控制在10分钟,故现阶段矿工通过修改Nonce和MerkleRoot两种方式来重构区块头。

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