CPU挖矿算法，深度解析挖矿的逻辑和技术实现

现在挖矿已经成为主流，很多人为了从虚拟数字货币中获利而开始了挖矿项目。挖矿算法也为挖矿币带来了一些辅助能力。 cpu挖矿的算法你知道吗？接下来小编就给大家深入剖析一下挖矿技术的实现过程。

挖掘是执行算法操作的过程。从计算机和代码的角度来看，就是反复执行Hash函数并检测执行结果的具体过程。和讨论算法一样，挖矿也是在采用POW共识机制的前提下讨论的。

大家都非常清楚，挖矿从CPU挖矿开始，过渡到GPU挖矿，最后演变到现在的ASIC（专业矿机）挖矿时代。本文分析了逻辑设计和技术实现。挖矿的演进是硬件的演进，也是软件的演进，尤其是软硬件对接协议的改进。因此，本文直接讨论了与字幕挖掘相关的几个核心协议，并逐步展开讨论。

当我查看这篇文章时，我发现“矿工”这个词用得很模糊。这种情况在英国文学中也是类似的。在日常交流中，一般指的是有矿机的人。本文重点介绍区块链，挖矿程序或机器统称为矿工。

采矿

本节讨论挖矿的原理。首先，分析比特币区块头的结构。我们说挖矿的本质是执行Hash函数的过程，而Hash函数是单入单出的函数，输入的数据就是区块头。 比特币区块头有6个字段：

int32_t nVersion; //版本号，4字节

uint256 hashPrevBlock; //前一个区块的区块头的哈希值，32字节

uint256 hashMerkleRoot; //该区块包含的所有交易构造的Merkle树根，32字节

uint32_t nTime; //Unix时间戳，4字节

uint32_t nBits; //记录这个区块的难度，4字节

uint32_t nNonce; //随机数CPU挖矿软件，4字节

如上，比特币每挖一次，都会对这80个字节进行两次连续的SHA256运算（SHA256D），运算结果是固定的32个字节（256个二进制位）。

以上6个字段不同，

nVersion，块版本号，只会在升级过程中改变。

hashPrevBlock，由上一个区块决定。

nBits，全网确定，每2016个区块重新调整一次，调整算法固定。

所以上面3个字段可以理解为固定的，对于每个矿工来说都是一样的。矿工可以自由调整的地方是剩下的3个字段，

nNonce，提供 2^32 个可能的值

nTime，其实这个字段能提供的值空间是很有限的，因为合理的出块时间是有一个范围的，这个范围是根据上一个出块时间来确定的，比上一个出块时间过早或者过早时间。被其他节点拒绝。值得一提的是，后一个区块的出块时间略早于前一个区块的时间，这是允许的。一般来说，矿工会直接使用机器当前的时间戳。

hashMerkleRoot，理论上提供了 2^256 种可能性。该字段的变化来自于添加或删除块中包含的交易，或者改变顺序，或者修改Co​​inbase交易的输入字段。

根据Hash函数的特点，即使三个字段中的任何一个发生变化，Hash运算的结果也会发生很大的变化。在 CPU 挖矿时代，搜索空间主要由 nNonce 提供。在矿机时代，nNonce 提供的 4 个字节远远不够，搜索空间转向 hashMerkleRoot。

比特币挖矿的逻辑流程如下：

1. 打包交易，取回待处理的交易内存池，选择要包含在区块中的交易。矿工可以任意选择，甚至不选择（钻区块），因为每个区块都有容量限制（目前是1M），所以矿工不能无限选择。对于矿工来说，最合理的策略是先将待确认的交易集按照手续费进行排序，然后尝试从高到低包含最多的交易。

2. 构建Coinbase，确定该区块包含的交易集后，即可统计该区块的总交易费用。结合输出规则，矿工可以在这个区块中计算自己的收益。

3. 构造 hashMerkleRoot 并为所有交易构造 Merkle 数。

4. 填写其他字段以获得完整的区块头。

5.哈希运算，对区块头进行SHA256D运算。

6. 验证结果，如果满足难度，向全网广播，挖掘下一个区块；如果不满足难度，则按照一定的策略改变上述字段之一，然后进行Hash运算和验证。

符合条件的区块条件如下：

SHA256D(Blockherder)

其中SHA256D(Blockherder)为挖矿结果，F(nBits)为难度对应的目标值，均为256位，均视为大整数，直接比较大小确定是否满足难度要求。

为了节省区块链的存储空间，将256位的目标值通过一定的变换和无损压缩存储在32位的nBits字段中。具体变换方法是拆分使用4个字节的nBits，第一个字节代表右移的位数，用V1表示，后3个字节记录值，用V3表示，有：

另外，难度有一个下限，也就是有一个最大值。比特币难度最小值为nBits=0x1d00ffff，对应的最大目标值为：0x00000000FFFF000000000000000000000000000000000000000000000000000

因此，挖矿可以形象地比喻为抛硬币，比如有256个硬币，给定数字1、2、3……256，每进行一次Hash运算，就像抛硬币一样, 256枚硬币同时抛，落地后要求该号码前n位的所有硬币都正面朝上。

设置生成

Setgenerate协议接口代表着CPU挖矿时代。

中本聪在他的论文中描述了“1 CPU 1 Vote”的理想数字民主概念。在客户端的初始版本中，附加了挖矿功能。客户端挖矿非常简单。当然，需要在数据挖掘结束后进行同步。有很多算力非常低的山寨币，仍然使用客户端直接挖矿。有两种方式开始挖矿：

1)在配置文件中设置gen=1，然后启动客户端，节点会自行开始挖矿。

2)客户端启动后，使用RPC接口setgenerate控制挖矿。

如果你使用经典的QT客户端，点击“帮助”菜单，打开“调试窗口”，在“控制台”输入如下命令：setgenerate true 2，然后回车，客户端开始挖矿，后面的数字代表挖矿线程数。如果要关闭挖矿，在控制台使用如下命令：setgenerate false，可以使用getmininginfo命令查看挖矿状态。

节点挖矿过程也很简单：

构造区块，初始化区块头字段，计算Hash并验证区块，如果不合格，nNonce会自动递增，然后计算验证，以此类推。在 CPU 挖矿时代，nNonce 提供的 4 字节搜索空间是完全足够的（4 字节是 4G 的可能，单核 CPU 对 SHA256D 的计算能力一般在 2M 左右）。实际上，nNonce 只是遍历了两个字节，返回来重构块。

开始工作

getwork 协议代表了 GPU 挖矿的时代。需求主要是由于挖矿程序和节点客户端的分离，以及区块链数据和挖矿组件的分离。

使用客户端节点直接挖矿，需要同步完整的区块链，数据与程序紧密结合。也就是说，如果有多台计算机进行挖矿，每台计算机都需要同步一份单独的区块链数据副本。 这实际上是没有必要的。对于矿工，至少需要一个完整节点。同时，GPU挖矿时代的到来也需要一个协议来与客户端节点进行交互。

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getwork的核心设计思想是：

由节点客户端构建区块，然后将区块头数据交给外部挖矿程序。挖矿程序遍历nNonce进行挖矿。验证通过后，交付给节点客户端。节点客户端验证通过后CPU挖矿软件，向全网广播。

如上所述，块头一共是 80 个字节。由于没有待确认的区块链数据和交易池，nVersion、hashPrevBlock、nBits和hashMerkleRoot 4个字段总共72字节必须由节点客户端提供。挖矿程序主要是增量遍历nNonce，必要时可以微调nTime字段。

对于显卡GPU，不用担心nNonce的4字节搜索空间不足，而且挖矿程序从节点客户端拿到一条数据后，应该不会工作太久，否则很有可能这个区块已经被别人挖了，继续挖也只能没用。对于比特币来说，虽然它被设计成每 10 分钟出块一次，但好的策略也应该是在几秒钟内重新向节点申请新的挖矿数据。对于显卡来说，运行SHA256D的算力一般在200M~1G之间，nNonce提供4G的搜索空间，也就是说再好的显卡也能支持4秒左右。调整一次nTime后，可以再挖4秒，时间绰绰有余。 .

节点提供RPC接口getwork，有一个可选参数。如果没有参数，则申请挖掘数据。如果有参数，就是提交挖出的区块数据。

挖矿从cpu挖矿开始。因此，要想了解挖掘算法，就必须从cpu挖掘算法开始探索。你知道多少？以上就是小编为大家整理的挖矿技术的实现过程逻辑，供大家深入分析。如果您想了解更多关于比特币的信息，请跟随微风。